색온도(color temperature)란?

색온도(color temperature)란?

색온도란?

흑체방사의 색도와 같은 색도를 가지는 광원이 있는 경우에, 그 흑체방사의 온도를 광원의 색온도라고 한다.

물체를 가열하여 온도를 높이면 빛을 발한다.

이러한 발열체가 내는 빛은, 그 표면 온도에 거의 의존해, 온도와 함께 빛을 더한다.

색깔도 빨강에서 점차 흰색을 띠며 빨강노랑빨강흰색으로 변화한다.

이런 방사를 열방사라고 한다.

열방사에 의한 빛의 색과 물체의 온도와 일정한 관계가 있으므로 빛의 색을 물체의 온도로 표현할 수 있다.

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단위는 K(켈빈)가 사용되며 한낮의 햇빛은 55006000K라고 한다.

또, 색온도의 경우에는 온도 기호(°, °C 등)를 붙이지 않는 경우가 많다.

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일반적으로 열방사는 온도만으로 결정되지 않고 물체의 표면상태 등의 영향을 받는다.

한편 온도만으로 결정되는 방사를 발하는 것에 흑체(완전방사체)가 있으며 이 방사를 흑체방사라고 부른다.

흑체방사의 분광분포는 플랑크의 방사칙에 따라 계산할 수 있으며 또한 그 색도궤적을 색도도 위에 그릴 수 있다.

백열전구처럼 붉은 기가 강하고 따뜻한 느낌의 빛을 색온도가 낮다,

수은램프(UV램프)처럼 푸른 기가 강하고 시원한 느낌의 빛을 색온도가 높다고 한다.

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흑 체 , black body, Planckian radiator

흑체란?

외부에서 들어오는 방사를 그 파장, 입사 방향, 편향 방향에 관계없이 모두 흡수하는 성질을 갖는 이상적인

열방사체를 말한다.

열방사체 중 최대 분광방사 휘도를 가지며 플랑크의 방사법칙을 완전하게 실현한다.

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열 방사, thermal radiation

열방사란?

기체, 액체 또는 고체를 구성하는 원자, 분자, 이온 또는 전자는 열평형 상태에서는 그 온도에 대응한 볼츠만 분포에 따른 열에너지로 운동을 하고 있다.

이 열운동에 의해 하전입자에서 전자파가 방사되는데, 이러한 방사를 내는 과정 또는 나온 방사를 열방사라고 한다.

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※영어에서는 이 현상을 나타내는 단어에 <radiation>이 있지만 일본어에서는 과거 <복사>가 사용되지 않게 되었기 때문에 복사 복사(emission of radiation), 복사 흡수(absorption of radiation)를 단순히 열방사라고 한다.

스테판과 볼츠만이, "열방사가 절대온도의 4승에 비례한다"는 것을 발견(스테판 볼츠만의 법칙)하고, 빈이 "그 온도와 방사의 피크파장이 반비례의 관계에 있다" 것을 발견(빈의 변위칙)했다.

빈의 변위법칙 예로 항성의 온도와 색의 관계를 들 수 있으며 빨강에서 오렌지, 노랑, 파랑과 단파장으로 갈수록 온도가 높다.

플랑크는 이들 특징을 '열방사의 온도와 파장에 의한 함수'로 설명하는 식을 제시했다.

→플랑크의 방사법칙을 참조.

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이 플랑크의 이론식이 성립하는 이상적인 열방사체를 '흑체'라고 한다.

실재하는 물체는 이보다 약한 방사밖에 없어 실제 물체의 열방사 이론치에 대한 비율을 방사율이라고 한다.

→흑체 참조.

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　　　　방사율=(실제 열방사) / (플랑크의 열방사 이론치)

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열방사는 어떤 물체에서도 일어나는 본질적인 현상이지만 그 강도는 물질의 종류나 표면 상태에 의존한다.

열방사와 열흡수는 관계가 있으며 같은 비율로 일어난다.

즉, 열방사하기 쉬운 물체는 그와 같은 정도로 열흡수하기 쉽고(키르히호프의 법칙), 열방사와 열흡수 비율인

방사율과 흡수율은 방사율=흡수율 의 관계가 있다.

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방사율이 '1'인 이상물체가 '흑체'이고, 흑체의 흡수율은 '1'이다.

양지에 둔 검은 천은 태양열흡수가 쉬운 동시에 열방사도 하기 쉽다.

즉, 쉽게 뜨거워지고 쉽게 식는다.

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투명물질이나 불투명 물질을 포함해 생각하면, 입사한 단위에너지1에 대해 반사, 흡수, 투과가 일어나는 비율을

각각 반사율, 흡수율, 투과율이라고 하며, 다음 관계가 성립된다.

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　　　　반사율+흡수율+투과율=1

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여기서 일반적인 불투명한 물질이라면 투과율=0 이므로 방사율과 반사율은 다음과 같은 관계식이 성립된다.

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　　　　방사율=1-반사율

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불투명물질에서는 반사하기 쉬움과 방사하기 쉬움은 반대의 경향을 나타낸다.방사율이 1인 흑체에서는 반사율은 제로. 입사 에너지는 반사되지 않고 모두 흡수된다.

반면 반사되는 백색물체나 경면의 금속 표면 등은 반사율이 높다.

따라서 방사율은 낮고 고온이 되어도 열방사는 적다.

덧붙여서 전기 스토브의 경면에서 받는 열은, 경면 자체의 방사가 아닌, 열원으로부터의 방사의 반사이다.

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※인체표면의 방사율은 0.95~8정도, 반들반들한 금속면에서는 알루미늄 0.05, 금 0.03, 철 0.08로 낮지만, 산화한 굵은 굵은 금속면에서는 0.7~0.9가 되는 것이 있다.

어떤 온도에서 물체의 방사율을 구하려면 플랑크의 열방사 이론값과 측정되는 값의 비를 취하면 되지만 가능하면 측정 면에서의 측정 파장의 빛의 반사율을 측정해 앞으로 1을 빼는 방법도 있다.

실재면의 방사율을 이론적으로이끌기는어렵고 표면층의 성분이나 요철이 방사율을 크게 바꾸기 때문에

정식화가간단하지않다.

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플랑크의 방사능 , Planck's law

플랑크의 방사규칙이란 주파수(혹은 파장) 및 온도의 함수로서 흑체의 분광방사 휘도 또는 분광방사 발산도를 주는 법칙이다.

→열방사를 참조.

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방사의 에너지(hγ)를 단위로 양자화되어 있는 것을 이용하면 단위주파수 폭당 분광방사에너지는 다음과 같이

나타난다.

E=(8πhγ3/c3)×[1/(exp(hγ/kT)-1)]

방사 주파수[Hz]

h : 플랑크 상수 h=6.6260693±0.0000024×10-34[J·s]......(2007판 이과 연표)

k : 볼츠만 상수 k=1.3806505±0.0000024×10-23[JK-1]··(2007판 이과연표)

c : 진공중의 빛의 속도 c=2.99792458×108 [m·s-1]········(2007판 이과 연표)

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또한 이 식으로부터 흑체의 단위파장폭당 분광방사 휘도Le 및 분광방사 발산도Me는 다음과 같이 나타난다.

Le=(C1/π)λ-5[exp(C2/λT)-1]-1

Me=C1λ-5[exp(C2/λT)-1]-1

여기서 C1: 방사 제1정수, C2: 방사 제2정수

C1=2πhc2=3.741771×10-16[W·m2]

C2=hc/k=1.438775×10-2[m·K]

플랑크의 방사칙에 의한 흑체방사의 분광에너지 분포는 열평형 상태에서는 다음 두 가지 조건에서 도출된다.

(1) 온도 T의 물질과 공동이 에너지 평형 상태에 있을 것.

(2) 온도 T의 물질(흑체의 구성 입자)의 에너지 분포가 볼츠만 분포를 따르는 것.

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키르히호프의 법칙 , Kirchhoff's law (of radiation)

키르히호프의 법칙이란 물체의 분광방사율은 분광흡수율과 같다는 법칙.

어떤 온도에서의 물체의 방사발산도와 흡수율 비는 일정하다.

이 비는 그 온도에서의 흑체의 방사발산도와 같다.

마찬가지로 어떤 파장에 대한 분광방사 발산도와 분광흡수율의 비율도 같으며 그 온도, 파장의 흑체의 분광방사

발산도와 같다.

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