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近场热辐射

/near-field heat radiation/
条目作者刘向雷

刘向雷

最后更新 2022-12-23
浏览 182
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物体之间的距离小于特征尺度时的辐射换热过程。

英文名称
near-field heat radiation
所属学科
工程热物理及动力工程

任何温度大于零的物体都会自发地向外辐射电磁波。由热辐射产生的电磁波包含两种形式:传播波和倏逝波。当离开物体表面时,倏逝波开始指数快速衰减,所以很难到达其他物体表面,因此宏观尺度上不对热辐射能量交换产生任何贡献。然而当物体之间的距离小于特征长度(由维恩位移定律决定,室温下大约为10微米)时,倏逝波的隧道穿透效应开始显现并为辐射热交换提供一个额外的通道。此时,物体间的辐射换热量可远远超过经典的斯忒藩-玻耳兹曼定律,这就是所谓的近场热辐射。1956年,S.雷托夫等人首次把涨落耗散理论引入麦克斯韦方程组,奠定了直接计算热辐射的理论和方法;随后1971年,D.波尔德和M.van 霍夫采用雷托夫理论计算了两个平板间的近场辐射换热。21世纪以来,微纳米技术的飞速进步极大地促进了高效微型能量转化设备和能量利用设备的发展,而为保障微机电设备的高效运行,需要对其内部能量传递与转换的微纳尺度效应进行考虑。此外,微纳米技术的发展也促进了实验测试水平和精度的提高。这两方面原因使近场热辐射受到了极大关注。

由于其高效的能量传输,近场热辐射在热光伏、热整流以及电子器件散热方面具有宽广的应用前景。例如,研究人员已经实验证实近场热辐射能够增加热光伏系统的电流输出,从而有望消除常规热光伏系统功率受限于黑体辐射定律的瓶颈问题。实验还发现近场热辐射可冷却局部热点达数十摄氏度。这种非接触式的冷却方式可避免对电流等信号的干扰,并为微纳电子器件散热、局部热点的消除、局部热处理等提供了一种新型高效的方式。

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