백열
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1. 개요
백열은 고체나 액체 물질이 약 525°C (798K) 부근에서 둔한 적색으로 빛나기 시작하는 현상을 의미하며, 이를 드레이퍼 점이라고 한다. 온도가 높아짐에 따라 밝기와 색상이 변화하며, 백열전구, 태양광 등에서 활용된다. 백열전구는 필라멘트를 가열하여 빛을 내지만, 효율이 낮고 자외선 및 X선 방출의 문제점이 있다. 최근 메타물질을 이용한 효율 개선 연구가 진행 중이며, 비유적인 표현으로도 사용된다.
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- 빛 - 형광
형광은 물질이 빛을 흡수하여 여기 상태가 된 후 바닥 상태로 돌아오며 흡수한 에너지보다 낮은 에너지를 가진 빛을 방출하는 현상으로, 형광등, 형광염료 등에 활용되고 다양한 분야에서 연구된다. - 빛 - 광초
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굴절은 빛이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때 속도 변화로 인해 진행 방향이 꺾이는 현상이며, 렌즈, 프리즘, 광섬유 등 다양한 분야에 응용된다.
| 백열 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 가열된 물체가 빛을 내는 현상 |
| 설명 | 뜨거운 물체에서 전자기파가 방출되는 것 |
| 특징 | 열에너지를 광 에너지로 변환 물체의 온도에 따라 빛의 색과 밝기가 달라짐 |
| 어원 | 라틴어 "incandescere" (붉게 달아오르다) |
| 물리적 원리 | |
| 방출 메커니즘 | 물체 내 원자들의 열운동 온도 상승에 따른 원자들의 진동 및 에너지 준위 변화 에너지 방출 (빛의 형태로) |
| 흑체 복사 | 이상적인 물체의 복사 온도에 따른 에너지 분포 설명 (플랑크 법칙) 빈의 변위 법칙: 최대 복사 파장과 온도 간의 관계 슈테판-볼츠만 법칙: 총 복사 에너지와 온도 간의 관계 |
| 특징적인 스펙트럼 | |
| 연속 스펙트럼 | 모든 파장의 빛을 포함 온도 상승에 따라 고주파수(파란색) 쪽으로 이동 |
| 스펙트럼 분석 | 물체 온도 측정 및 성분 분석에 활용 |
| 응용 | |
| 백열전구 | 필라멘트 가열을 통한 빛 방출 낮은 에너지 효율 (대부분 열로 손실) LED 조명 및 형광등으로 대체되는 추세 |
| 산업 분야 | 고온 가열로 용접 금속 제련 |
| 기타 | 화재 시 연소 물질의 백열 현상 천체의 온도 측정 (별, 항성) |
| 관련 용어 | |
| 열복사 | 온도에 의해 방출되는 전자기파 |
| 발광 | 열이 아닌 다른 에너지에 의한 빛 방출 (예: 화학 발광, 전기 발광) |
| 스완 밴드 | 탄소 기반 분자에서 나타나는 특징적인 스펙트럼 밴드 |
2. 원리 및 특징
사실상 발열 과정을 통한 발광을 동반하는 화학 반응이 일어나는지에 관계없이, 거의 모든 고체나 액체 물질은 약 525°C (798K) 부근에서 둔한 적색으로 빛나기 시작한다. 이 한계를 드레이퍼 점이라고 한다. 이 온도보다 낮더라도 고온 발광이 없어지는 것은 아니지만, 가시광선에서는 너무 약해서 인지할 수 없다. 온도가 높아짐에 따라 물체는 밝아지고, 색깔이 빨강에서 흰색으로, 마지막에는 파란색으로 바뀐다.[3]
고온 발광은 백열전구에서 이용되고 있으며, 백열전구에서는 복사의 극히 일부가 가시광선이 되는 온도까지 필라멘트가 가열된다. 그러나 복사의 대부분은 스펙트럼의 적외선 부분으로 방출되어, 백열전구는 광원으로서 비교적 효율이 낮은 것이 된다.[3] 필라멘트의 온도를 더 높일 수 있다면 효율은 아마도 올라갈 것이다. 그러나 램프에 사용하기에 적합한 그러한 온도에 견딜 수 있는 소재는 현재 존재하지 않는다. 또한, 필라멘트의 온도를 높이면 그만큼 자외선과 연X선의 방출이 증가하여 생체에 악영향을 미친다.
해결 방법으로 현재 메타물질을 이용하여 스펙트럼을 제어함으로써 가시광선의 비율을 높이는 방법이 제시되고 있으며, 이를 이용하면 LED를 능가하는 고효율도 실현 가능하다고 여겨진다.[4] 형광등이나 LED와 같은 더 효율적인 광원에서는 고온 발광이 사용되지 않는다.[5] 태양광은 태양의 "백열"한 표면의 고온 발광이다.
2. 1. 드레이퍼 점
사실상 발열 과정을 통한 발광을 동반하는 화학 반응이 일어나는지에 관계없이, 거의 모든 고체나 액체 물질은 약 525°C (798K) 부근에서 둔한 적색으로 빛나기 시작한다. 이 한계를 드레이퍼 점이라고 한다. 이 온도보다 낮더라도 고온 발광이 없어지는 것은 아니지만, 가시광선에서는 너무 약해서 인지할 수 없다.2. 2. 온도와 색 변화
사실상 발열 과정을 통한 발광을 동반하는 화학 반응이 일어나는지에 관계없이, 고체나 액체 물질의 거의 모든 것은 798K (약 525°C) 부근에서 약간 둔한 적색으로 빛나기 시작한다. 이 한계는 드레이퍼 점이라고 불린다. 이 온도보다 낮더라도 고온 발광이 없어지는 것은 아니지만, 가시광선에서는 너무 약해서 인지할 수 없다. 온도가 높아짐에 따라 물체는 밝아지고, 색깔이 빨강에서 흰색으로, 마지막에는 파란색으로 바뀐다.[3]고온 발광은 백열전구에서 이용되고 있으며, 백열전구에서는 복사의 극히 일부가 가시광선이 되는 온도까지 필라멘트가 가열된다. 그러나 복사의 대부분은 스펙트럼의 적외선 부분으로 방출되어, 백열전구는 광원으로서 비교적 효율이 낮은 것이 된다.[3] 필라멘트의 온도를 더 높일 수 있다면 효율은 아마도 올라갈 것이다. 그러나 램프에 사용하기에 적합한 그러한 온도에 견딜 수 있는 소재는 현재 존재하지 않는다. 또한, 필라멘트의 온도를 높이면 그만큼 자외선과 연X선의 방출이 증가하여 생체에 악영향을 미친다.
해결 방법으로 현재 메타물질을 이용하여 스펙트럼을 제어함으로써 가시광선의 비율을 높이는 방법이 제시되고 있으며, 이를 이용하면 LED를 능가하는 고효율도 실현 가능하다고 여겨진다.[4] 형광등이나 LED와 같은 더 효율적인 광원에서는 고온 발광이 사용되지 않는다.[5] 태양광은 태양의 "백열"한 표면의 고온 발광이다.
3. 응용 분야
3. 1. 백열전구
고체나 액체 물질은 798K (약 525°C) 부근에서 둔한 적색으로 빛나기 시작하는데, 이를 드레이퍼 점이라고 한다. 온도가 높아짐에 따라 물체는 더 밝아지고, 색깔은 빨강에서 흰색, 파란색으로 바뀐다.백열전구는 이러한 고온 발광을 이용한다. 백열전구는 필라멘트를 고온으로 가열하여 빛을 내지만, 복사의 대부분은 적외선 형태로 방출되어 광원으로서 효율이 낮다.[3] 필라멘트 온도를 더 높이면 효율이 올라가지만, 현재 그러한 고온을 견딜 수 있는 소재는 없다. 또한 필라멘트 온도를 높이면 자외선과 연X선 방출이 증가하여 생체에 악영향을 미친다.
최근에는 메타물질을 이용하여 스펙트럼을 제어, 가시광선 비율을 높이는 방법이 제시되어 LED를 능가하는 고효율도 실현 가능하다고 여겨진다.[4] 형광등이나 LED와 같은 더 효율적인 광원에서는 고온 발광이 사용되지 않는다.[5]
태양광은 태양의 "백열"한 표면의 고온 발광이다.
3. 2. 기타 광원
4. 효율 개선 연구
4. 1. 메타물질
5. 문제점
6. 비유적 표현
매우 화가 나서 붉게 달아오르거나 희게 달아올라 빛나거나 불타는 듯한 사람을 비유적으로 표현할 때 '백열'이라는 단어가 사용되기도 한다.[6][7]
참조
[1]
서적
Treatise on Heat
https://books.google[...]
Longman, Rees, Orme, Brown, Green & Longman
2008-05-26
[2]
서적
An Introduction to Practical Chemistry, Including Analysis
https://books.google[...]
Philadelphia: Blanchard and Lea
2008-05-26
[3]
서적
Illumination and Photometry
https://books.google[...]
McGraw-Hill
2008-06-04
[4]
웹사이트
メタマテリアルによる熱輻射の制御に向けて
http://www.netsubuss[...]
大阪大学大学院基礎工学研究科
2019-04-26
[5]
서적
Prefabulous + Almost Off the Grid: Your Path to Building an Energy-Independent Home
https://books.google[...]
Abrams
2017-12-21
[6]
뉴스
Rangers 1 Unirea Urziceni 4: Groundhog day as Gers are humbled by Dan Petrescu's men {{!}} Daily Mail Online
http://www.dailymail[...]
2009-11-01
[7]
뉴스
Jerry has a cross to bear - Scotsman.com News
http://news.scotsman[...]
2009-11-01
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