電子設備顏色對熱輻射的影響

一．輻射的本質
物體是由分子、原子、電子等基本粒子組成，當原子內部的電子受激和振動，產生交替變化的電場和磁場，發出電磁波向空間傳播，這就是輻射。由于激發的方式不同，所產生的電磁波波長就不相同，他們投射到物體上產出的效應也不同。由于自身溫度或熱運動的原因而激發產生的電磁波傳播，稱為熱輻射。
電磁波的波長和分類如下圖所示：



波長λ=0.38—0.76μm范圍的電磁波屬于可見光線；波長λ<0.38μm的電磁波是紫外線、倫琴射線等；λ=0.76—1000μm范圍的電磁波稱為紅外線，λ>1000μm的電磁波是無線電波。
通常把λ=0.1—100μm范圍的電磁波稱熱射線，其中包括可見光線、部分紫外線和紅外線，它們投射到物體上能產生熱效應。工程上所遇到的溫度范圍一般在2000K以下，而熱輻射的大部分能量位于紅外線區段的0.76—20μm范圍內，在可見光區段內熱輻射的能量所占的比重不大。顯然，當熱輻射的波長大于0.76μm時，人的眼睛將看不見。
擴大到太陽輻射，情況就會有所變化。太陽是溫度約為5800K的熱源，其溫度比一般工業上遇到的溫度要大的多，而太陽輻射的主要能量集中在0.2-2μm的波長范圍，其中可見光區段占很大比重。
輻射是通過電磁波來傳遞能量的過程，熱輻射是由于物體的溫度高于絕對零度時發出電磁波的過程，兩個物體之間通過熱輻射傳遞能量稱為輻射換熱。
熱輻射的本質決定了熱輻射過程有如下三個特點：

1、輻射換熱與導熱、對流換熱不同，它不依賴物體的接觸而進行熱量傳遞；
2、輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉化，即物體的部分內能轉化為電磁波能發射出去，當此波能射及另一物體表面而被吸收時，電磁波能又轉化為內能；
3、一切物體只要其溫度T>0K，都會不斷地發射熱射線。當物體間有溫差時，高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量，因此總的結果是高溫物體把能量傳給低溫物體。即使各個物體的溫度相同，輻射換熱仍在不斷進行，只是每一物體輻射出去的能量，等于吸收的能量，從而處于動平衡的狀態。兩個物體之間的凈輻射量取決于它們的溫度、尺寸、輻射特性和彼此間的相對位置。

二．實際物體發射率與吸收率的關系
當射線投射到物體上時，遵循著可見光的規律，其中部分被物體吸收，部分被反射，其余則透過物體。設投射到物體上全波長范圍的總能量為G，被吸收Gα、反射Gρ、透射Gτ，根據能量守恒定律可有：Gα+Gρ+Gτ=G。變換可得：α+ρ+τ=1，其中α=Gα/G，稱為物體的吸收率；ρ=Gρ/G，稱為物體的反射率；τ=Gτ/G，稱為物體的透射率；
在自然界不同物體的吸收率α、反射率ρ和穿透率τ因具體條件不同而千差萬別。為了更好的研究，我們把全部吸收外來射線即α=1的物體叫做黑體，顯然黑體是個理想物體。黑體具有以下三個特性：
1、黑體在給定的溫度和波長下，發射的輻射能最大。因此在相同的溫度下，沒有其他物體能比黑體發射的輻射更多；
2、黑體能夠吸收投射到其表面上的全部輻射能；
3、黑體向各方向均勻發射輻射能，這意味著黑體是漫射體。

而實際物體的輻射不同于黑體，實際物體的單色輻射力往往隨波長作不規則的變化。我們把實際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值稱為實際物體的黑度（亦稱發射率），記為ε。發射率越高，物體的輻射力越強，其輻射換熱的能力也越大。
物體表面的黑度取決于物質種類、表面溫度和表面狀況，這說明黑度只與發射輻射的物體本身有關，而不涉及外界條件。不同種類物質的黑度顯然是不同的，而同一物體的黑度又隨溫度而變化，同時表面狀況對黑度也有很大影響。
關于實際物體的吸收性能，我們定義物體對投入輻射所吸收的百分數稱為該物體的吸收率，記為α。實際物體的吸收率取決于兩方面的因素：吸收物體的本身情況和投入輻射的特性。所謂物體的本身情況是指物質的種類、表面溫度和表面狀況。
實際物體的輻射吸收之間所存在的內在聯系，1859年基爾霍夫用熱力學方法解釋了這個問題。基爾霍夫定律揭示了物體發射率ε和吸收率α的聯系：即在熱平衡條件下，任何物體的輻射力和它對來自黑體輻射的吸收率的比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力。也就是說在熱平衡條件下，溫度為T的物體表面的總輻射率等于相同溫度下其對黑體投入輻射的總吸收率。
在工程輻射換熱計算中，只要參與輻射各物體的溫差不過分懸殊，把物體表面當作漫射灰表面，就可以應用ε=α的關系，不會造成太大的誤差。

三．太陽輻射
太陽是個熾熱的氣團，它的內部不斷進行著核聚變反應，由此產生的巨大能量以輻射方式向宇宙空間發射出去。太陽可看成近似于溫度為5800K的黑體輻射，99%的能量集中在λ=0.2—3μm的短波區域，其最大能量位于0.483μm的波長處。
對于太陽輻射來說，太陽是地球表面接收輻射能的一個重要來源。由于太陽輻射能主要集中在λ=0.2—3μm的波長范圍內，而實際物體對短波的單色吸收率和對長波的單色吸收率有時會有很大的差別，對于絕大多數物體，太陽吸收率不等于表面發射率，這是因為太陽的表現溫度要遠遠高于室溫，因而基爾霍夫定律不再適用
因此，在太陽能的利用中，作為太陽能吸收器的表面材料，盡可能的要求它對0.2—3μm波長范圍的單色吸收率盡可能接近1，而對λ>3μm波長范圍的單色吸收率盡可能接近零，這意味著該表面可以從太陽輻射中吸收較多的能量，而自身的輻射熱損失又極小。
下表為部分材料及表面處理在室溫下太陽吸收率和表面發射率：





從上表可以看出，白漆的太陽吸收率很低，而表面發射率很高。

四．顏色的關系
在2000K以下，熱輻射的大部分能量位于紅外線區段的0.76—20μm范圍內，在可見光區段內熱輻射的能量所占的比重不大。而顏色只與可見光的吸收和反射有關，與紅外輻射無關。
考慮到電子設備的輻射散熱，對于白天需要暴露在陽光下的電子設備的外殼表面，盡可能的選擇吸收率低的白色和其它淺顏色。這樣，這些設備表面吸收的太陽投入輻射就會降到最小，并且自身表面發射的輻射熱近似黑體的輻射熱，其內部電子器件的溫度會相對較低。
對于不需要暴露在太陽光下面的電子設備外殼表面以及終端來說，盡可能的選擇發射率高的表面處理，至于顏色來說，則可涂覆各種顏色。

標簽： 點擊： 評論: