การแผ่รังสีความร้อน (Emissivity สัญลักษณ์ ε) เป็นแนวคิดสำคัญในวิชาอุณหพลศาสตร์และวิทยาศาสตร์วัสดุที่มีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจการแผ่รังสีความร้อนและคุณสมบัติทางความร้อนของวัสดุ
เป็นการตรวจวัดว่าพื้นผิวสามารถแผ่รังสีความร้อนได้มีประสิทธิภาพเพียงใดเมื่อเปรียบเทียบกับวัตถุดำในอุดมคติ บทความนี้จะเจาะลึกถึงคำจำกัดความของการแผ่รังสี ความสำคัญ วิธีการวัด และการนำไปใช้ในทางปฏิบัติ
คำจำกัดความ
การแผ่รังสีความร้อน (Emissivity สัญลักษณ์ ε) คือปริมาณที่ไม่มีขนาด มิติ ซึ่งมีค่าอยู่ในช่วง 0 ถึง 1 แสดงถึงประสิทธิภาพในการแผ่รังสีความร้อนของพื้นผิวเมื่อเทียบกับวัตถุดำในอุดมคติ ซึ่งเป็นวัตถุในอุดมคติที่ดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบทั้งหมด โดยไม่คำนึงถึงความถี่หรือมุมตกกระทบ
- วัตถุดำ (Black Body): ตัวปล่อยรังสีในอุดมคติที่มีค่าการแผ่รังสี 1.0 หมายความว่ามันปล่อยรังสีความร้อนได้ 100% ของค่าที่สามารถปล่อยได้ที่อุณหภูมิที่กำหนด
- วัตถุสีเทา (Gray Body): วัตถุจริงที่มีค่าการแผ่รังสีน้อยกว่า 1.0 หมายความว่ามันปล่อยรังสีความร้อนน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับวัตถุดำที่อุณหภูมิเดียวกัน
- วัตถุสีขาว (White Body): วัตถุที่มีค่าการแผ่รังสี 0 หมายความว่ามันไม่ปล่อยรังสีความร้อน
ตารางแสดงตัวอย่างค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีความร้อน (Emissivity) ของวัสดุแต่ละชนิด
วัสดุ | Emissivity | วัสดุ | Emissivity |
---|---|---|---|
อะลูมิเนียมอโนไดซ์ | 0.77 | คอนกรีตหยาบ | 0.92-0.97 |
อะลูมิเนียมขัดเงา | 0.05 | ทองแดงขึ้นสนิม | 0.65 |
แผ่นไม้ | 0.96 | ทองแดงขัดเงา | 0.05 |
ผ้า | 0.78 | เคลือบเงาแล็กเกอร์ | 0.9 |
กระดาษ | 0.93 | ผ้ากระสอบสีเขียว | 0.88 |
หินชนวน | 0.96 | ไฟเบอร์กลาส | 0.75 |
ทองเหลืองขัดเงา | 0.03 | แผ่นใยไม้อัดมีรูพรุน | 0.85 |
ทองเหลืองเป็นสนิม | 0.61 | อิฐทนไฟ | 0.68 |
อิฐทั่วไป | 0.81-0.86 | ฟอร์ไมก้า | 0.94 |
อิฐสีแดง | 0.9 | ท่อชุบสังกะสี | 0.46 |
คาร์บอนเขม่าเทียน | 0.95 | แก้ว | 0.92 |
คาร์บอนกราไฟท์พื้นผิวตะไบ | 0.98 | แก้วขัดเงา | 0.025 |
คาร์บอนบริสุทธิ์ | 0.8 | ทองไม่เงา | 0.47 |
ซีเมนต์ | 0.54 | หินแกรนิตพื้นผิวธรรมชาติ | 0.96 |
ถ่านไม้ | 0.96 | กรวด | 0.28 |
แผ่นไม้อัด | 0.9 | ยิปซัม | 0.8-0.9 |
โครเมียมขัดเงา | 0.1 | ไม้เนื้อแข็งตามลายไม้ | 0.82 |
ดินเหนียวเผา | 0.91 | น้ำแข็ง | 0.97 |
คอนกรีต | 0.92 | เหล็กสนิมมาก | 0.91-0.96 |
คอนกรีตแห้ง | 0.95 | สีดำด้าน | 0.96 |
การใช้งานของการแผ่รังสี
เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดและกล้องถ่ายภาพความร้อนอาศัยการตั้งค่าการแผ่รังสีที่แม่นยำเพื่อให้การอ่านอุณหภูมิที่แม่นยำ ซึ่งนิยมใช้ในหลายๆ สาขาได้แก่:
- การถ่ายภาพทางการแพทย์: ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในร่างกายมนุษย์เพื่อวินิจฉัยภาวะต่างๆ เช่น การอักเสบหรือการไหลเวียนโลหิตไม่ดี
- การตรวจสอบอาคาร: ระบุการรั่วไหลของความร้อนและปัญหาฉนวนในอาคาร
- การตรวจสอบอุตสาหกรรม: การตรวจสอบเครื่องจักรและกระบวนการเพื่อตรวจจับความร้อนสูงเกินไปหรือประสิทธิภาพที่ลดลง
ตัวอย่างการตั้งค่า Emissivity ของเครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดและกล้องถ่ายภาพความร้อน
ความสำคัญของการแผ่รังสี (Emissivity สัญลักษณ์ ε)
การทำความเข้าใจการแผ่รังสีเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการวัดอุณหภูมิที่แม่นยำ การคำนวณการถ่ายเทความร้อน และการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมต่างๆ ซึ่งมีผลกระทบต่อ:
- การถ่ายภาพความร้อน: การอ่านอุณหภูมิที่แม่นยำในกล้องถ่ายภาพความร้อนขึ้นอยู่กับการทราบค่าการแผ่รังสีของพื้นผิวที่วัด
- ประสิทธิภาพด้านพลังงาน: ในการออกแบบอาคาร วัสดุที่มีค่าการแผ่รังสีเฉพาะอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพในการทำความร้อนและทำความเย็น
- กระบวนการทางอุตสาหกรรม: กระบวนการผลิตที่เกี่ยวข้องกับการอบชุบด้วยความร้อนจำเป็นต้องมีการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ ซึ่งจำเป็นต้องมีความเข้าใจเกี่ยวกับการแผ่รังสี
ปัจจัยที่มีผลต่อการแผ่รังสี
ปัจจัยหลายประการสามารถส่งผลต่อการแผ่รังสีของวัสดุรวมถึง:
- พื้นผิวพื้นผิว: พื้นผิวที่ขรุขระมีแนวโน้มที่จะมีการแผ่รังสีสูงกว่าพื้นผิวที่เรียบ
- องค์ประกอบของวัสดุ: วัสดุต่างๆ มีค่าการแผ่รังสีโดยธรรมชาติ โลหะโดยทั่วไปจะมีการแผ่รังสีต่ำกว่าโลหะ
- การเคลือบผิว: สีและสารเคลือบสามารถเปลี่ยนค่าการแผ่รังสีของวัสดุได้
- อุณหภูมิ: ค่าการแผ่รังสีสามารถเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ แม้ว่าในวัสดุหลายชนิด ค่าการแผ่รังสีจะค่อนข้างน้อยภายในช่วงที่กำหนด