遠赤外線の発熱の原理について

物質の発熱の原理

　物質を構成している原子のつながりや分子は、物質自体が持っている温度に応じた熱振動(分子運動や結晶の格子振動）をしています。
原子と原子のつながりは、図２の様に球(質量)とバネに例えられるような振動を常に行っていますが、この振動数に対応した波長の遠赤外線を吸収すると、遠赤外エネルギーがバネを激しくゆさぶり、振動が激しくなって熱を発生させます。
プラスチック、ゴム、塗料、繊維、食品などの物質は長い分子から成り、高分子物質と呼ばれていますが、これらは遠赤外線を良く吸収する性質をもっています。

　全ての温度を持つ物体は、温度に応じた遠赤外線を放射しています。
熱は、高いところから低いところに移動します。（熱力学第二法則）
これは、遠赤外線にも同じことが言えます。
また、放射率＝吸収率となっており、遠赤外線の吸収率が高いものほど、放射率も高いと言えます。

この吸収率を説明する為に、黒体について説明したいと思います。

黒体とは

　黒体とは、外部から入ってくる放射を、その波長、入射方向、偏向の方向に関わらず、すべて吸収する性質を持つ理想的な熱放射体のことです。
すごく簡単に言うと、１００％遠赤外線を吸収する「仮想物体」であること。
「仮想物体」としたのは、黒体とは概念的なものであり、実物するものではない為です。

物体から放射される赤外線の量は、大きくはその物体の材質や表面状態（凸凹など）に依存します。
放射率を説明する上で「黒体」という概念があります。「黒体」はその表面に入射するあらゆる波長を吸収し、反射も透過もしない理想の物体です。一方、現実の物体では多少なりとも、反射、透過があります。
そこで、黒体を基準とした理想的な全放射エネルギーWと物体が放射するエネルギーW’との比率を算出します。この比率を放射率といい、通常εで表します。

物体表面に放射エネルギーが入射すると、そのエネルギーは物体に吸収されるか（吸収率α）、表面で反射されるか（反射率ρ）、あるいは物体を透過するか（透過率τ）に分かれます。しかし、分かれたエネルギーは増えることも減ることもありませんので、入射したエネルギーを1とすると次の関係が成立します。

α＋ｐ＋γ＝１

また、ドイツの物理学者キルヒホッフは、放射エネルギーを吸収しやすい物体は同時に放射しやすいという現象に注目し、放射率と吸収率は等しいという法則を発見しました（キルヒホッフの法則）。

ε＝α

たとえば、光沢のある金属では、ほとんどが反射率90％以上です。
したがって、反射率はρ＝0.9となり、また光は透過しないので透過率τ＝0ですので、

ε＝α＝１－（ｐ＋γ）＝0.1

となります。鏡面光沢金属の放射率は一般にこのように低いのです。

遠赤外線に興味がおありの方はこちらも是非ともご覧ください
①遠赤外線について
②遠赤外線の発熱の原理について
③熱放射に関する４つの法則
④遠赤外線の可能性について