[논문 리뷰] Many body heat radiation and heat transfer in the presence of a non-absorbing background medium

Boris Müller, Roberta Incardone외 3명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2016. 10. 24.

Thermal Radiation and Cooling Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 비흡수성 배경 매질 내에서 다체계 복사열전도에 대한 일반적인 이론적 프레임워크를 확률 전기역학을 이용해 수립하며, 열전도의 대칭성과 양성함을 증명한다. 배경 매질은 구체의 복사열과 평행한 두 판 사이의 열전도를 강하게 증가시키며, 공기와 같은 기체에서는 매크로스코픽 모델과 마이크로스코픽 모델이 동일한 결과를 도출한다.

ABSTRACT

Heat radiation and near-field radiative heat transfer can be strongly manipulated by adjusting geometrical shapes, optical properties, or the relative positions of the objects involved. Typically these objects are considered as embedded in vacuum. By applying the methods of fluctuational electrodynamics, we derive general closed-form expressions for heat radiation and heat transfer in a system of $N$ arbitrary objects embedded in a passive non-absorbing background medium. Taking into account the principle of reciprocity, we explicitly prove the symmetry and positivity of transfer in any such system. Regarding applications, we find that the heat radiation of a sphere as well as the heat transfer between two parallel plates is strongly enhanced by the presence of a background medium. Regarding near- and far-field transfer through a gas like air, we show that a microscopic model (based on gas particles) and a macroscopic model (using a dielectric contrast) yield identical results. We also compare the radiative transfer through a medium like air and the energy transfer found from kinetic gas theory.

연구 동기 및 목표

• 비흡수성 배경 매질에 임bed된 N개의 임의의 물체 시스템에 대해 확률 전기역학을 확장하여 적용한다.
• 상호작용 원리에 기반하여 이러한 시스템에서 열전도의 대칭성과 양성함을 엄밀히 증명한다.
• 배경 매질이 구체와 평행한 두 판의 열복사 및 열전도에 미치는 영향을 조사한다.
• 공기와 같은 매질에서 복사열전도에 대해 매크로스코픽 유전율 모델과 마이크로스코픽 기체 입자 모델을 비교한다.
• 복사열전도 이론을 운동론적 기체 이론의 예측과 조율한다.

제안 방법

• 비흡수성 배경 매질 존재 하에서 복사열과 열전도에 대한 폐쇄형 표현식을 확률 전기역학을 통해 유도한다.
• N체계에서 열전도의 대칭성과 양성함을 엄밀히 증명하기 위해 상호작용 원리를 적용한다.
• 다중 물체의 복합 산란 연산자를 기술하기 위해 $$\mathbb{T}$-행렬 형식을 사용하며, 임의의 차수까지 반복 전개를 수행한다.
• 복합 산란 연산자 $\mathbb{T}_{\alpha\beta\gamma\dots}$를 단일체 $$\mathbb{T}_i$$ 연산자와 배경 그린 함수 $$\mathbb{G}_b$$의 무한급수로 표현한다.
• 공기와 같은 매질에서 복사열전도에 대해 매크로스코픽 유전율 대비 기체 입자 산란 기반의 마이크로스코픽 모델을 비교한다.
• 희박한 매질에서 에너지 전달에 대해 운동론적 기체 이론과의 비교를 통해 결과의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비흡수성 배경 매질의 존재가 다체계 간 복사열전도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 배경 매질에 임bed된 N체계에서 열전도에 대한 일반적인 폐쇄형 표현식을 유도할 수 있는가?
• RQ3 이러한 시스템에서 열전도의 대칭성과 양성함이 유지되는가? 그리고 이를 엄밀히 증명할 수 있는가?
• RQ4 매크로스코픽 유전율 모델과 마이크로스코픽 입자 모델이 기체에서 복사열전도에 대해 어느 정도 동일한 결과를 도출하는가?
• RQ5 공기와 같은 매질에서의 복사열전도는 운동론적 기체 이론의 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 비흡수성 배경 매질의 존재는 구체의 복사열과 두 평행한 판 사이의 열전도를 크게 증가시킨다.
• 유도된 형식은 상호작용 원리를 통해 비흡수성 배경 매질에 임bed된 임의의 N체계에서 열전도의 대칭성과 양성함을 증명한다.
• 공기와 같은 기체에서는 매크로스코픽 유전율 모델과 마이크로스코픽 기체 입자 모델이 복사열전도에 대해 동일한 결과를 도출한다.
• 공기와 같은 매질을 통과하는 복사열전도는 운동론적 기체 이론의 에너지 전달 예측과 정량적으로 일치한다.
• N체계에 대한 일반적인 $$\mathbb{T}$$-행렬 전개는 색인 순열에 대해 대칭적이며, 이는 형식의 물리적 일관성을 확인한다.
• 기존 진공 기반 이론을 배경 매질을 포함하도록 확장하여, 근접장 및 원거리장 열전도 향상에 대한 새로운 통찰을 가능하게 한다.