电子设备颜色对热辐射的影响

一．辐射的本质
物体是由分子、原子、电子等基本粒子组成，当原子内部的电子受激和振动，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。由于激发的方式不同，所产生的电磁波波长就不相同，他们投射到物体上产出的效应也不同。由于自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播，称为热辐射。
电磁波的波长和分类如下图所示：



波长λ=0.38—0.76μm范围的电磁波属于可见光线；波长λ<0.38μm的电磁波是紫外线、伦琴射线等；λ=0.76—1000μm范围的电磁波称为红外线，λ>1000μm的电磁波是无线电波。
通常把λ=0.1—100μm范围的电磁波称热射线，其中包括可见光线、部分紫外线和红外线，它们投射到物体上能产生热效应。工程上所遇到的温度范围一般在2000K以下，而热辐射的大部分能量位于红外线区段的0.76—20μm范围内，在可见光区段内热辐射的能量所占的比重不大。显然，当热辐射的波长大于0.76μm时，人的眼睛将看不见。
扩大到太阳辐射，情况就会有所变化。太阳是温度约为5800K的热源，其温度比一般工业上遇到的温度要大的多，而太阳辐射的主要能量集中在0.2-2μm的波长范围，其中可见光区段占很大比重。
辐射是通过电磁波来传递能量的过程，热辐射是由于物体的温度高于绝对零度时发出电磁波的过程，两个物体之间通过热辐射传递能量称为辐射换热。
热辐射的本质决定了热辐射过程有如下三个特点：

1、辐射换热与导热、对流换热不同，它不依赖物体的接触而进行热量传递；
2、辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化，即物体的部分内能转化为电磁波能发射出去，当此波能射及另一物体表面而被吸收时，电磁波能又转化为内能；
3、一切物体只要其温度T>0K，都会不断地发射热射线。当物体间有温差时，高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量，因此总的结果是高温物体把能量传给低温物体。即使各个物体的温度相同，辐射换热仍在不断进行，只是每一物体辐射出去的能量，等于吸收的能量，从而处于动平衡的状态。两个物体之间的净辐射量取决于它们的温度、尺寸、辐射特性和彼此间的相对位置。

二．实际物体发射率与吸收率的关系
当射线投射到物体上时，遵循着可见光的规律，其中部分被物体吸收，部分被反射，其余则透过物体。设投射到物体上全波长范围的总能量为G，被吸收Gα、反射Gρ、透射Gτ，根据能量守恒定律可有：Gα+Gρ+Gτ=G。变换可得：α+ρ+τ=1，其中α=Gα/G，称为物体的吸收率；ρ=Gρ/G，称为物体的反射率；τ=Gτ/G，称为物体的透射率；
在自然界不同物体的吸收率α、反射率ρ和穿透率τ因具体条件不同而千差万别。为了更好的研究，我们把全部吸收外来射线即α=1的物体叫做黑体，显然黑体是个理想物体。黑体具有以下三个特性：
1、黑体在给定的温度和波长下，发射的辐射能最大。因此在相同的温度下，没有其他物体能比黑体发射的辐射更多；
2、黑体能够吸收投射到其表面上的全部辐射能；
3、黑体向各方向均匀发射辐射能，这意味着黑体是漫射体。

而实际物体的辐射不同于黑体，实际物体的单色辐射力往往随波长作不规则的变化。我们把实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值称为实际物体的黑度（亦称发射率），记为ε。发射率越高，物体的辐射力越强，其辐射换热的能力也越大。
物体表面的黑度取决于物质种类、表面温度和表面状况，这说明黑度只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。不同种类物质的黑度显然是不同的，而同一物体的黑度又随温度而变化，同时表面状况对黑度也有很大影响。
关于实际物体的吸收性能，我们定义物体对投入辐射所吸收的百分数称为该物体的吸收率，记为α。实际物体的吸收率取决于两方面的因素：吸收物体的本身情况和投入辐射的特性。所谓物体的本身情况是指物质的种类、表面温度和表面状况。
实际物体的辐射吸收之间所存在的内在联系，1859年基尔霍夫用热力学方法解释了这个问题。基尔霍夫定律揭示了物体发射率ε和吸收率α的联系：即在热平衡条件下，任何物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收率的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。也就是说在热平衡条件下，温度为T的物体表面的总辐射率等于相同温度下其对黑体投入辐射的总吸收率。
在工程辐射换热计算中，只要参与辐射各物体的温差不过分悬殊，把物体表面当作漫射灰表面，就可以应用ε=α的关系，不会造成太大的误差。

三．太阳辐射
太阳是个炽热的气团，它的内部不断进行着核聚变反应，由此产生的巨大能量以辐射方式向宇宙空间发射出去。太阳可看成近似于温度为5800K的黑体辐射，99%的能量集中在λ=0.2—3μm的短波区域，其最大能量位于0.483μm的波长处。
对于太阳辐射来说，太阳是地球表面接收辐射能的一个重要来源。由于太阳辐射能主要集中在λ=0.2—3μm的波长范围内，而实际物体对短波的单色吸收率和对长波的单色吸收率有时会有很大的差别，对于绝大多数物体，太阳吸收率不等于表面发射率，这是因为太阳的表现温度要远远高于室温，因而基尔霍夫定律不再适用
因此，在太阳能的利用中，作为太阳能吸收器的表面材料，尽可能的要求它对0.2—3μm波长范围的单色吸收率尽可能接近1，而对λ>3μm波长范围的单色吸收率尽可能接近零，这意味着该表面可以从太阳辐射中吸收较多的能量，而自身的辐射热损失又极小。
下表为部分材料及表面处理在室温下太阳吸收率和表面发射率：





从上表可以看出，白漆的太阳吸收率很低，而表面发射率很高。

四．颜色的关系
在2000K以下，热辐射的大部分能量位于红外线区段的0.76—20μm范围内，在可见光区段内热辐射的能量所占的比重不大。而颜色只与可见光的吸收和反射有关，与红外辐射无关。
考虑到电子设备的辐射散热，对于白天需要暴露在阳光下的电子设备的外壳表面，尽可能的选择吸收率低的白色和其它浅颜色。这样，这些设备表面吸收的太阳投入辐射就会降到最小，并且自身表面发射的辐射热近似黑体的辐射热，其内部电子器件的温度会相对较低。
对于不需要暴露在太阳光下面的电子设备外壳表面以及终端来说，尽可能的选择发射率高的表面处理，至于颜色来说，则可涂覆各种颜色。

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