การถ่ายเทความร้อน: การแผ่รังสี

แนวคิดพื้นฐาน

การแผ่รังสีความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมาจากสสารเนื่องจากอุณหภูมิของสสารนั้น สิ่งที่แตกต่างจากการนำความร้อนและการพาความร้อนคือ การแผ่รังสีไม่จำเป็นต้องมีตัวกลางใดๆ และสามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้อย่างสมบูรณ์ (เช่น รังสีดวงอาทิตย์ที่ส่องมายังโลก) วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์จะแผ่รังสีความร้อนออกมา ในระบบทางวิศวกรรม การแผ่รังสีจะกลายเป็นกลไกการถ่ายเทความร้อนที่ทรงอิทธิพลที่สุดที่อุณหภูมิสูง

สูตรและวิธีการ

อัตราการแผ่รังสีสูงสุดที่เป็นไปได้จากพื้นผิวอุดมคติ (วัตถุดำ - Blackbody) อธิบายได้ด้วย กฎของสเตฟาน-โบลต์ซมันน์ (Stefan-Boltzmann law): $q_{max} = \sigma A T^4$ โดยที่:

• $\sigma$ = ค่าคงที่สเตฟาน-โบลต์ซมันน์ ($5.67 \times 10^{-8} \text{ W/(m}^2 \cdot \text{K}^4)$)
• $A$ = พื้นที่ผิว
• $T$ = อุณหภูมิสัมบูรณ์ (ในหน่วยเคลวิน)

พื้นผิวจริงจะแผ่รังสีน้อยกว่าวัตถุดำ ซึ่งถูกปรับแก้ด้วยค่า สภาพแผ่รังสี (Emissivity, $\epsilon$ ซึ่งมีค่าระหว่าง 0 ถึง 1): $q_{emit} = \epsilon \sigma A T^4$ การแลกเปลี่ยนความร้อนสุทธิด้วยการแผ่รังสีระหว่างพื้นผิวสองแห่งยังขึ้นอยู่กับการจัดวางทางเรขาคณิตที่แต่ละพื้นผิวมองเห็นกัน ซึ่งกำหนดโดย แฟคเตอร์การมองเห็น (View Factor, $F_{12}$)

การประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรม

เนื่องจากการแผ่รังสีแปรผันตามอุณหภูมิยกกำลังสี่ ($T^4$) มันจึงเป็นสาเหตุหลักของการสูญเสียพลังงานในงานที่มีอุณหภูมิสูง เช่น เตาหลอมอุตสาหกรรม บอยเลอร์ และระบบควบคุมอุณหภูมิยานอวกาศ วิศวกรสามารถปรับเปลี่ยนค่าสภาพแผ่รังสีของพื้นผิวเพื่อควบคุมการแผ่รังสีได้ เช่น การใช้โลหะขัดเงาที่มีค่าสภาพแผ่รังสีต่ำเพื่อเป็นฉนวน (กระติกน้ำสุญญากาศ หรือ แผ่นสะท้อนความร้อนดาวเทียม) หรือใช้พื้นผิวสีดำด้านที่มีค่าสภาพแผ่รังสีสูงเพื่อช่วยระบายความร้อน (ฮีทซิงค์)