熱放射

ガラスを燃やす技術は紀元前700年頃にまで遡ることが知られています。ガラスを燃やす技術について最初に正確に言及した作品の1つは、紀元前423年に書かれたアリストパネスの喜劇『雲』にあります。 ^{[ 6 ]}アルキメデスの熱線に関する逸話によると、アルキメデスはシラクサ包囲戦（紀元前213～212年頃）の際に、攻撃してくるローマの船を燃やすために熱線を集中させる鏡を開発したとされています が、当時の資料で確認されたものはありません。^{[ 6 ]}カトプトリクスは、熱を発生させるために光を集中させる方法について書かれたユークリッドの著作とされていますが、この本は紀元300年に書かれた可能性があります。^{[ 6 ]}

ルネサンス期に、サントリオ・サントリオは初期の温度計の一つを考案した。1612年、彼は太陽からの加熱効果に関する研究結果と、月からの熱を測定しようとした試みを発表した。^{[ 6 ]}

1589年、ジャンバッティスタ・デッラ・ポルタは、凹面金属鏡によって促進された遠くのろうそくから発せられる熱が顔に感じられたことを報告した。彼はまた、固い氷の塊から感じられた冷たさも報告した。^{[ 6 ]}デッラ・ポルタの実験は、精度を高めながら何度も再現された。1603年には天文学者のジョヴァンニ・アントニオ・マジーニとクリストファー・ヘイドンによって再現され、神聖ローマ皇帝ルドルフ2世に指示が与えられ、ルドルフ2世は1611年にそれを実行した。1660年には、トスカーナ大公フェルディナンド2世が発明した温度計を使用して、アカデミア・デル・チメントによってデッラ・ポルタの実験が更新された。^{[ 6 ]}

1761年、ベンジャミン・フランクリンは、色と熱吸収の関係についての実験を記述した手紙を書きました。^{[ 7 ]}彼は、明るい色の服よりも暗い色の服の方が日光にさらされると熱くなることを発見しました。彼が行った実験の1つは、晴れた日にさまざまな色の正方形の布を雪の上に置くというものでした。彼はしばらく待ってから測定したところ、黒い布がすべての色の中で最も深く雪に沈み、最も熱くなり、最も多くの雪を溶かしたことを示していました。

アントワーヌ・ラヴォアジエは、熱の放射は、物体を構成する物質ではなく、その表面の状態に関係すると考えていた。^{[ 8 ]}ラヴォアジエは、放射効率の悪い物質とは、表面が磨かれたり滑らかになったりした物質であり、分子が平面上に密に結合して並び、内部の残りの熱の放出を遮断する熱流体の表面層を形成すると説明した。^{[ 8 ]}彼は、放射効率の良い物質とは、表面が粗い物質であり、特定の平面内に熱を保持する分子の割合が少なく、内部からの熱の放出がより多くなると説明した。^{[ 8 ]}後にラムフォード伯爵は、この熱の移動に関する説明は冷気の放射を説明するには不十分であると指摘し、これが理論全体の論争点となった。^{[ 8 ]}

オーギュスタン＝ジャン・フレネルは最初の回想録で、アイザック・ニュートンの『光学』のフランス語訳から得た見解に反論した。彼は、ニュートンが光の粒子が空間を満たす熱媒体に妨げられることなく空間を移動すると想像していたと述べ、照明下の物体は熱が無限に増加すると述べることで、この見解（実際にはニュートンが主張したことはなかった）を否定した。^{[ 9 ]}

マルク＝オーギュスト・ピクテの1790年の有名な実験では、冷たい物体から発せられる「冷光線」を鏡で集束させたところ、温度計がより低い温度を検出したと報告されている。^{[ 10 ]}

1791年、ピクテの同僚であるピエール・プレヴォーは、すべての物体が熱を放射し、同時に熱を吸収するという放射平衡の概念を導入した。 ^{[ 11 ]}物体が周囲よりも冷たい場合、放出する熱よりも多くの熱を吸収するため、平衡に達するまで温度が上昇する。平衡状態でも、吸収と放出のバランスを保つために熱を放射し続ける。^{[ 11 ]}

19世紀初頭、科学者たちは放射熱が光と同じ性質を持つことを示した。ほぼ同時期に、オーギュスタン＝ジャン・フレネルは光が波動性を持つことを示し、光の粒子説を否定した。^{[ 12 ]}

赤外線の発見は天文学者ウィリアム・ハーシェルによるものとされている。ハーシェルは1800年にロンドン王立協会でその研究結果を発表した。ハーシェルはプリズムを用いて太陽光を屈折させ、スペクトルの赤色部分より外側の熱線を、その領域の温度計で記録された温度の上昇によって検出した。 ^{[ 13 ] [ 14 ]}

光の波動説を採用したトーマス・ヤングは、 1902年に次のように記している。

熱は物体の粒子の振動から成り、見かけ上の真空を通して波動によって伝達されるという見解は、長らく定説とされてきた（ニュートン・オプティカル・クエ18）。この見解は近年ほとんど放棄されており、ラムフォード伯爵、ピクテ教授、デービー氏らが、この見解を支持している数少ない著者である。しかし、この見解は正当な根拠もなく否定されたようで、おそらく近いうちに再び支持されるようになるだろう。

1804年、ジョン・レスリーは、異なるコーティングを施した面に温水または冷水を入れた様々な立方体を用いて実験を行った。レスリーの立方体実験では、黒い表面は銀色の表面よりも多くの放射線を放出することが示された。^{[ 15 ]}

ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサックは1920年に、真空中の熱伝播理論（フランス語：calorique du vide）の発展には新しい熱理論が必要になると書いた。^{[ 12 ]}

1830年から1832年の間に、マケドニオ・メローニは、レオポルド・ノビリの初期の協力を得て、放射熱に関する一連の測定を行うための熱電対を製作した。メローニは、放射熱が反射、屈折、回折、偏光など、光と同じ性質をすべて持っていることを実証した。しかし、メローニが熱の波動説を完全に受け入れたのは1847年になってからだった。^{[ 12 ]}

アンドレ＝マリー・アンペールは、1832年に熱の波動伝播に関する最初の論文を執筆し、1835年にそれを拡張したとされている。アンペールは熱量理論を完全に否定したわけではなく、波動理論の方が都合が良いとして支持した。^{[ 12 ]}しかし、この理論はフランス科学アカデミーから反発を受けた。^{[ 12 ]}

熱の波動理論は、その成功にもかかわらず、1850年代以降、熱の機械的等価物の概念、熱力学、気体運動論の発展に伴い、主要な科学者によってほとんど放棄されました。^{[ 12 ]} 1851年、ケルビン卿は光の波動理論を熱の標準的な機械的記述の一部として退け、次のように書いています。^{[ 12 ]}

サー・ハンフリー・デービーによって確立された熱の動力学的理論は、放射熱の偏光現象などの発見によって放射熱に拡張され、空隙や透熱性物質を通して伝わる熱は、遍在する媒体における横方向の振動波から構成されている可能性が非常に高いことが明らかになった。

1860年、グスタフ・キルヒホフは熱平衡の数学的記述 （すなわちキルヒホフの熱放射の法則）を発表した。^{[ 16 ]： 275-301} 1870年代後半、熱放射を測定する装置であるボロメータがサミュエル・ラングレーによって発明され、特許を取得した。^{[ 17 ]}

1884年までに、完全黒体の放射能は、ジョン・ティンダルの実験測定を用いてヨーゼフ・シュテファンによって推測され、ルートヴィヒ・ボルツマンによって基本的な統計原理から導き出された。^{[ 18 ]}この関係はシュテファン・ボルツマンの法則として知られている。1893年、ヴィルヘルム・ウィーンは、黒体放射において特定の温度で放射が最も強くなる波長を示すウィーンの変位法則を経験的に開発した。 ^{[ 19 ]}

19世紀末には、光や放射熱の伝達は電磁波の伝播によって可能になることが示されました。^{[ 20 ]}テレビやラジオの放送波は、特定の波長を持つ電磁波の一種です。^{[ 21 ]}すべての電磁波は同じ速度で伝わるため、波長が短いほど周波数が高くなります。すべての物体は、熱交換を伴って電磁波を発生および受信します。^{[ 21 ]}

放射の微視的理論は量子論として最もよく知られており、 1900 年にマックス・プランクによって初めて提唱されました。^{[ 20 ]}この理論によれば、放射体から放出されるエネルギーは連続ではなく、量子の形をとります。プランクは、エネルギーは波動理論と同様に振動の周波数の量子として放出されることに注目しました。^{[ 22 ]}真空中の電磁波のエネルギーEは、 E = hfという式で求められます。ここで、hはプランク定数、fはその周波数です。

高温の物体は、量子あたりのエネルギーが増加する高周波数の放射線を放出します。あらゆる波長の電磁波の伝播はしばしば「放射」と呼ばれますが、熱放射は可視光と赤外線領域に限定されることが多いです。工学的な目的においては、熱放射は表面の性質とその温度によって変化する電磁放射の一形態であると言えます。^{[ 20 ]}

放射波は伝導による熱の流れとは異なるパターンで伝わることがあります。放射によって、波は加熱された物体から冷たい非吸収性または部分的に吸収性の媒体を通って伝わり、再びより暖かい物体に到達します。^{[ 20 ]} 例としては、太陽から地球に伝わる放射波が挙げられます。

1924年、サティエンドラ・ナート・ボースは量子光子ガスからプランクの法則を導き出した。ボースとアルバート・アインシュタインは、ボース＝アインシュタイン統計に従うボソンとしての光子の概念を確立した。^{[ 23 ]}

1953年、セルゲイ・リトフは、ゆらぎ散逸定理を用いて近接場における熱放射の研究を先駆的に行った。熱波長以下の短距離では、熱伝達がプランクの黒体理論で与えられた限界を超える可能性があることを彼は示した。1971年、ダーク・ポルダーとマイケル・ヴァン・ホーヴェは、リトフの研究に基づいて近接した物体間の近接場放射熱伝達に関する研究を発表し、実験装置と比較した。^{[ 24 ]}

熱画像（上）と通常の写真（下）の比較。ビニール袋は長波長赤外線に対してほぼ透明だが、男性の眼鏡は不透明である。

あらゆる温度の物体から放出される熱放射は、広範囲の周波数から構成されます。その周波数分布は、上図に示すように、理想的な放射体に対するプランクの黒体放射の法則によって表されます。

放射される放射線の支配的な周波数（または色）範囲は、放射体の温度が上昇するにつれて高周波数側にシフトします。たとえば、赤熱した物体は主に可視光帯の長波長（赤とオレンジ）の光を放射します。さらに加熱すると、緑色と青色の光も識別可能な量で放射し始め、可視光域全体に周波数が広がるため、人間の目には白く見えます。これが白熱です。2000 K の白熱温度でも、放射エネルギーの 99% は依然として赤外線です。これはウィーンの変位則によって決まります。図では、温度が上昇するにつれて、各曲線のピーク値が左に移動します。

黒体からの全放射強度は、ステファン・ボルツマンの法則で示されるように、絶対温度の4乗に比例して増加します。絶対温度スケールで室温の約2倍の温度（600 K対300 K）にあるオーブンは、単位面積あたり16倍の放射エネルギーを放出します。白熱電球のフィラメントの温度（およそ3000 K、つまり室温の10倍）にある物体は、単位面積あたり10,000倍のエネルギーを放射します。

光子の統計に関しては、熱光は超ポアソン統計に従います。

物体の温度が十分に高くなると、その熱放射スペクトルは可視光域で十分に強くなり、目に見えるほど光るようになります。熱放射の可視光成分は白熱光と呼ばれることもありますが、^{[ 26 ]} この用語は熱放射全般を指す場合もあります。この用語はラテン語の動詞incandescere「白く光る」に由来します。^{[ 27 ]}

実際には、ほぼすべての固体または液体物質は、発熱反応によって光が発生するかどうかにかかわらず、798 K（525 °C、977 °F）付近で、やや鈍い赤色に発光し始めます。この限界温度はドレーパー点と呼ばれます。この温度以下でも白熱は消滅しませんが、可視光スペクトルでは弱すぎて知覚できません。   

ある物体が特定の周波数で放出する電磁放射の速度は、その物体がその周波数で吸収する放射の速度に比例します。これは相反性と呼ばれる性質です。したがって、赤色光をより多く吸収する表面は、より多くの赤色光を熱放射します。この原理は、波長（色）、方向、偏光、さらにはコヒーレンスなど、波のすべての特性に適用されます。そのため、偏光、コヒーレンス、指向性を持つ熱放射が存在する可能性がありますが、偏光とコヒーレンスを持つ光源は自然界では非常にまれです。

熱放射は伝導や対流とは特徴的に異なり、媒体を必要とせず、実際には真空中で最大の効率を発揮します。熱放射は電磁放射の一種であり、波の伝播によってモデル化されることがよくあります。これらの波は、周波数、${\displaystyle \nu }$波長、​${\displaystyle \lambda }$これらは次の式で関連付けられています $${\displaystyle \lambda ={\frac {c}{\nu }}}$$ どこ${\displaystyle c}$は媒質中の光速である。^{[ 28 ]： 769}

熱放射とは、単位面積あたりに表面に入射する放射線の量を指します。^{[ 28 ]： 771}単位はワット/平方メートルです。放射は反射、吸収、透過のいずれかになります。放射の成分は、次の式で表すことができます。 $${\displaystyle \alpha +\rho +\tau =1\,}$$ どこ${\displaystyle \alpha }$吸収率を表す。${\displaystyle \rho }$反射率を表し、$\displaystyle \tau }$透過率を表す。^{[ 28 ]： 772}これらの成分は、電磁波の波長と媒体の物質特性の関数である。

吸収率と放射率

スペクトル吸収は放射率に等しい${\displaystyle \epsilon }$この関係はキルヒホッフの熱放射の法則として知られています。この法則がすべての周波数で成り立ち、次の式が適用される場合、 物体は黒体と呼ばれます。$${\displaystyle \alpha =\epsilon =1.\,}$$

物体が白く見える場合（可視光スペクトルで反射する場合）、熱赤外線でも必ずしも同じように反射する（したがって放射しない）とは限りません。左の図を参照してください。ほとんどの家庭用ラジエーターは白く塗られていますが、これは、ラジエーターが熱を放射するほど高温にならず、そもそも熱放射器として設計されていないことを考えると理にかなっています。実際には、ラジエーターは対流器であり、マットブラックに塗ってもその効率にはほとんど違いはありません。アクリル系およびウレタン系の白色塗料は、室温で93%の黒体放射効率を持ちます^{[ 29 ]}（つまり、「黒体」という用語は、物体の視覚的に知覚される色と必ずしも一致するとは限りません）。「黒色＝高放射率/高吸収率」という注意書きに従わないこれらの材料は、おそらく機能的なスペクトル放射率/吸収率依存性を持つでしょう。

ステファン・ボルツマンの法則を用いて妥当な定常状態の熱流束推定値を得ることができるのは、真に灰色のシステム（考慮されるすべての制御体積において相対的に等価な放射率／吸収率であり、方向による透過率の依存性がないシステム）に限られます。このような「理想的に計算可能な」状況に遭遇することはほぼ不可能です（ただし、一般的な工学的手順では、これらの未知の変数の依存性を無視し、これが事実であると「仮定」しています）。楽観的に言えば、これらの「灰色」近似値は実際の解に近づくでしょう。なぜなら、ステファン・ボルツマンの解からの乖離はほとんどの場合非常に小さいからです（特に、ほとんどの標準的な温度と圧力の制御された実験室環境では）。

表面から放出された放射線は、表面からあらゆる方向に伝播することができます。^{[ 28 ]： 773}照射は、あらゆる方向から表面に入射することもできます。したがって、表面への照射量は、放射体と受光体の相対的な向きに依存します。パラメータ放射強度、${\displaystyle I}$これは、ある表面から別の表面へどれだけの放射線が到達するかを定量化するために使用されます。

放射強度はしばしば球面座標系を用いてモデル化される。^{[ 28 ]： 773}

「黒体」とは、入射光線を表面反射なしにすべて透過させる性質を持つ物体のことである。^{[ 16 ]}

黒体は、完全な吸収体および放射体として機能する理想化された表面です。^{[ 28 ]： 782-783}熱放射を特徴付ける際に、実際の表面と比較するための基準として機能します。黒体は、次の3つの特性によって定義されます。

1. 黒体は、波長や方向に関係なく、入射するすべての放射線を吸収する。
2. 特定の温度と波長において、黒体よりも多くのエネルギーを放出する表面は存在しない。
3. 黒体は拡散放射体である。

シュテファン・ボルツマンの法則

プランク分布は、黒体のスペクトル放射能を求めるために使用できます。${\displaystyle E_{\lambda ,b}}$以下の通り、^{[ 28 ]： 784-785}

$${\displaystyle E_{\lambda ,b}=\pi I_{\lambda ,b}.}$$

黒体の総放射能は次のように計算されます。 $${\displaystyle E_{b}=\int _{0}^{\infty }\pi I_{\lambda ,b}d\lambda .}$$

上記の積分の解は、黒体放射の全放射能に関する非常に洗練された方程式、すなわちステファン・ボルツマンの法則を与え、それは次のように表される。 $${\displaystyle E_{b}=\sigma T^{4}}$$ どこ${\displaystyle \sigma }$はステファン・ボルツマン定数です。

ウィーンの変位法則

波長${\displaystyle \lambda \,}$発光強度が最も高くなるのは、ウィーンの変位則によって次のように与えられる。 $${\displaystyle \lambda _{\text{max}}={\frac {b}{T}}}$$

黒体ではない表面については、（一般的に周波数に依存する）放射率係数を考慮する必要がある。${\displaystyle \epsilon (\nu )}$この係数は、積分前に放射スペクトル式に掛け合わせる必要があります。定数とみなした場合、結果として得られる出力の式は、次の式を含む形で記述できます。${\displaystyle \epsilon }$要因として： $${\displaystyle P=\epsilon \sigma AT^{4}}$$

この種の理論モデルは、周波数に依存しない放射率が完全黒体よりも低いため、灰色体と呼ばれることが多い。周波数に依存する放射率の場合、積分電力の解は依存性の関数形式に依存するが、一般に単純な式はない。実際には、物体の放射率がピーク放射波長付近でほぼ一定であれば、ピーク放射付近の曲線の重みが積分を支配する傾向があるため、灰色体モデルはかなりうまく機能する。

太陽光は、太陽の「白熱した」表面の白熱光です。太陽からの電磁放射のピーク波長は約550  nmで、^{[ 1 ]}熱や電気を生成するために利用できます。

熱放射は反射鏡によって小さな一点に集中させることができ、集光型太陽光発電はこの原理を利用しています。鏡の代わりにフレネルレンズを使って放射エネルギーを集中させることもできます。どちらの方法も、太陽光を利用して水を素早く蒸気に変えるために使用できます。例えば、鏡で反射された太陽光はPS10太陽光発電所を加熱し、日中は水を285 ℃（558K 、545 °F）まで加熱することができます。   

選択吸収面は、太陽光からエネルギーを抽出する際に使用できます。選択吸収面とは、太陽光から吸収するエネルギー量を最大化し、自身の熱放射によるエネルギー損失量を最小限に抑えるように調整された表面のことです。選択吸収面は、太陽集熱器にも使用できます。

白熱電球は、フィラメントを加熱して、かなりの可視熱放射を放出する温度にすることで光を生成します。一般的な温度である 3000  K のタングステンフィラメントでは、放出される放射のごく一部だけが可視光であり、大部分は赤外線です。この赤外線は人の視覚には役立ちませんが、周囲に熱を伝達するため、白熱電球は光源として比較的効率が悪いです。^{[ 31 ]} フィラメントをより高温にできれば効率は向上しますが、現在、ランプでの使用に適したそのような温度に耐えられる材料はありません。

蛍光灯やLEDなどのより効率的な光源は、白熱によって機能するわけではありません。^{[ 32 ]}

熱放射は人間の快適性に重要な役割を果たし、体感温度に影響を与える。パーソナル暖房・冷房装置など、温熱快適性を向上させるための様々な技術が開発されてきた。

平均放射温度は、人間と周囲の環境との間の放射熱の交換を定量化するために用いられる指標である。

住宅の低放射率窓は、可視光に対しては透明でありながら熱波長では低い放射率を持つ必要があるため、より複雑な技術です。ガラス窓などの表面からの熱伝達を減らすために、低放射率コーティングを施した透明な反射フィルムを表面の内側に貼ることができます。「低放射率（low-E）コーティングは、主に放射熱の流れを抑制することでU値を下げるために、窓や天窓のガラス面に堆積された、顕微鏡でしか見えないほど薄い金属または金属酸化物の層です。」^{[ 33 ]}このコーティングを追加することで、窓から出る放射の量を制限し、窓内部に保持される熱量を増やすことができます。

光沢のある金属表面は、可視光線と遠赤外線の両方において放射率が低い。このような表面は、両方向への熱伝達を低減するために利用できる。その一例として、宇宙船の断熱に使用される多層断熱材が挙げられる。

熱放射を含むあらゆる電磁放射は、エネルギーだけでなく運動量も伝達するため、熱放射は放射または吸収する物体に非常に小さな力も及ぼします。通常、これらの力は無視できるほど小さいですが、宇宙船の航行を考える際には考慮に入れる必要があります。パイオニア探査機の異常現象（探査機の動きが重力のみから予想される動きからわずかにずれた現象）は、最終的に探査機からの非対称な熱放射が原因であることが突き止められました。同様に、小惑星の軌道も、小惑星が太陽に面した側で太陽放射を吸収し、その後、小惑星の自転によって暖かい表面が太陽の視界から外れると、異なる角度でエネルギーを再放出するため、摂動を受けます（YORP効果）。

スペクトル選択的な熱放射特性を持つナノ構造は、エネルギー生成と効率化のための数多くの技術的応用を提供します^{[ 34 ]} 。たとえば、太陽光発電セルや建物の日中の放射冷却などです。これらの応用には、8～13マイクロメートルの波長範囲の大気透過窓に対応する周波数範囲での高い放射率が必要です。この範囲で強く放射する選択的放射体は、晴れた空にさらされるため、宇宙空間を非常に低温のヒートシンクとして使用できます^{[ 35 ] 。}

実際の室温環境では、人間は空気への伝導による損失に加えて、赤外線熱放射によってかなりのエネルギーを失います（同時対流やドラフトなどの他の空気の動きによって促進されます）。失われた熱エネルギーは、壁やその他の周囲からの熱放射を吸収することによって部分的に回復されます。人間の皮膚の放射率は 1.0 に非常に近い値です。^{[ 36 ]} 約 2 m ²の表面積と約 307 Kの温度を持つ人間は、常に約 1000 W を放射しています。人々が屋内にいて、296 K の表面に囲まれている場合、壁、天井、その他の周囲から約 900 W を受け取り、結果として 100 W の正味損失が発生します。これらの推定値は、衣服の着用などの外部変数に大きく依存します。     

明るい色、白、金属質の物質は、照明光の吸収が少ないため、発熱も少なくなります。しかし、日常的な温度では、物体と周囲との間の熱伝達において、色はほとんど影響を与えません。これは、放射される主な波長が可視光ではなく赤外線であるためです。これらの波長における放射率は、可視光（可視色）における放射率とはほとんど関係がありません。遠赤外線では、ほとんどの物体が高い放射率を示します。したがって、日光の下では、衣服の色は暖かさにほとんど影響を与えません。同様に、家の塗装の色も、塗装された部分が日光に当たっている場合を除いて、暖かさにほとんど影響を与えません。

熱放射は、皮膚をやけどさせたり、可燃物を発火させたりする現象です。熱放射にさらされて損傷を受けるまでの時間は、熱の伝達速度の関数です。放射熱流束と影響は次のように表されます。^{[ 37 ]}