निकट-क्षेत्र विकिरणीय ताप स्थानांतरण

निकट-क्षेत्र (एनएफआरएचटी), शास्त्रीय (सीआरटी), और असतत द्विध्रुवीय (डीडीए) विधियों का उपयोग करके गणना की गई दो क्षेत्रों के बीच विकिरण गर्मी हस्तांतरण की भविष्यवाणी।

नियर-फील्ड रेडिएटिव हीट ट्रांसफर (एनएफआरएचटी) हीट ट्रांसफर # रेडिएशन की शाखा है जो उन स्थितियों से संबंधित है जिनके लिए वस्तुएं और/या वस्तुओं को अलग करने वाली दूरी पैमाने में तुलनीय या छोटी होती है या थर्मल ऊर्जा का आदान-प्रदान करने वाले थर्मल विकिरण के विएन के विस्थापन कानून के बराबर होती है। इस शासन में, शास्त्रीय विकिरण गर्मी हस्तांतरण के लिए निहित ज्यामितीय प्रकाशिकी की धारणाएं मान्य नहीं हैं और विवर्तन, तरंग हस्तक्षेप, और विद्युत चुम्बकीय विकिरण के इवान्सेंट क्षेत्र # इवान्सेंट-वेव युग्मन के प्रभाव शुद्ध गर्मी हस्तांतरण पर हावी हो सकते हैं। इन निकट-क्षेत्र प्रभावों के परिणामस्वरूप गर्मी हस्तांतरण दर शास्त्रीय विकिरण गर्मी हस्तांतरण के स्टीफन-बोल्ट्जमान कानून से अधिक हो सकती है।

इतिहास

एनएफआरएचटी के क्षेत्र की उत्पत्ति आमतौर पर सोवियत संघ में सर्गेई मिखाइलोविच रायतोव|सर्गेई एम. रायतोव के काम से मानी जाती है।राइटोव ने शून्य तापमान पर लगभग पूर्ण दर्पण से वैक्यूम गैप द्वारा अलग किए गए अर्ध-अनंत अवशोषित शरीर के मामले की जांच की। उन्होंने थर्मल विकिरण के स्रोत को बेतरतीब ढंग से उतार-चढ़ाव वाले विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के रूप में माना। बाद में संयुक्त राज्य अमेरिका में, विभिन्न समूहों ने सैद्धांतिक रूप से तरंग हस्तक्षेप और अपवर्तक तरंग टनलिंग के प्रभावों की जांच की।1971 में, डिर्क पोल्डर और मिशेल वान होव ने मनमाने ढंग से गैर-चुंबकीय मीडिया के बीच एनएफआरएचटी का पहला पूर्णतः सही सूत्रीकरण प्रकाशित किया।उन्होंने छोटे वैक्यूम गैप द्वारा अलग किए गए दो आधे-स्थानों के मामले की जांच की। पोल्डर और वैन होव ने थर्मल उत्सर्जन के लिए जिम्मेदार बेतरतीब ढंग से उतार-चढ़ाव वाली धाराओं के सांख्यिकीय गुणों को निर्धारित करने के लिए उतार-चढ़ाव-अपव्यय प्रमेय का उपयोग किया और निश्चित रूप से प्रदर्शित किया कि छोटे अंतरालों में सुपर-प्लैंकियन (ब्लैकबॉडी सीमा से अधिक) गर्मी हस्तांतरण के लिए अपवर्तक तरंगें जिम्मेदार थीं।

पोल्डर और वैन होव के काम के बाद से, एनएफआरएचटी की भविष्यवाणी में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है। ट्रेस फ़ार्मुलों से जुड़ी सैद्धांतिक औपचारिकताएँ,उतार-चढ़ाव वाली सतही धाराएँ,और डायडिक ग्रीन के कार्य,सभी का विकास हो चुका है। परिणाम में समान होते हुए भी, अलग-अलग स्थितियों में लागू होने पर प्रत्येक औपचारिकता कमोबेश सुविधाजनक हो सकती है। दो क्षेत्रों के बीच एनएफआरएचटी के लिए सटीक समाधान,गोले का समूह, गोला और आधा स्थान,और गाढ़ा सिलेंडरइन सभी को इन विभिन्न औपचारिकताओं का उपयोग करके निर्धारित किया गया है। अन्य ज्यामितियों में एनएफआरएचटी को मुख्य रूप से परिमित तत्व विधियों के माध्यम से संबोधित किया गया है। जालीदार सतहऔर मात्राऐसी विधियाँ विकसित की गई हैं जो मनमानी ज्यामिति को संभालती हैं। वैकल्पिक रूप से, घुमावदार सतहों को सपाट सतहों के जोड़े में विभाजित किया जा सकता है और थर्मल डेरजागुइन सन्निकटन (कभी-कभी डेरजागुइन सन्निकटन के रूप में संदर्भित) का उपयोग करके दो अर्ध-अनंत आधे स्थानों की तरह ऊर्जा का आदान-प्रदान करने के लिए अनुमानित किया जा सकता है। छोटे कणों की प्रणालियों में, असतत द्विध्रुव सन्निकटन लागू किया जा सकता है।

सिद्धांत

बुनियादी बातें

एनएफआरएचटी पर अधिकांश आधुनिक कार्य लैंडौअर सूत्र के रूप में परिणाम व्यक्त करते हैं।विशेष रूप से, निकाय 1 से निकाय 2 में स्थानांतरित की गई शुद्ध ऊष्मा शक्ति किसके द्वारा दी जाती है

$P_{\mathrm {1\rightarrow 2,net} }=\int _{0}^{\infty }\left\{{\frac {\hbar \omega }{2\pi }}\left[n(\omega ,T_{1})-n(\omega ,T_{2})\right]{\mathcal {T}}(\omega )\right\}d\omega$,

कहाँ $\hbar$ प्लैंक स्थिरांक है, $\omega$ कोणीय आवृत्ति है, $T$ थर्मोडायनामिक तापमान है, $n(\omega ,T)=\left(1/2\right)\left[\coth {\left(\hbar \omega /2k_{b}T\right)}-1\right]$ बोस फ़ंक्शन है, $k_{b}$ बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक है, और

${\mathcal {T}}(\omega )=\sum _{\alpha }\tau _{\alpha }(\omega )$.

लैंडॉउर दृष्टिकोण तापीय विकिरण चैनलों के अलग-अलग संदर्भों में गर्मी के संचरण को लिखता है, $\alpha$. व्यक्तिगत चैनल संभावनाएँ, $\tau _{\alpha }$, 0 और 1 के बीच मान लें।

एनएफआरएचटी को कभी-कभी वैकल्पिक रूप से रैखिक चालन के रूप में रिपोर्ट किया जाता है

$G_{\mathrm {1\rightarrow 2,net} }(T)=\lim _{T_{1},T_{2}\rightarrow T}{\frac {P_{\mathrm {1\rightarrow 2,net} }}{T_{1}-T_{2}}}=\int _{0}^{\infty }\left[{\frac {\hbar \omega }{2\pi }}{\frac {\partial n}{\partial T}}{\mathcal {T}}(\omega )\right]d\omega$.

दो अर्ध-स्थान

दो अर्ध-स्थानों के लिए, विकिरण चैनल, $\alpha$, s- और p- रैखिक ध्रुवीकरण (तरंगें)#s और p पदनाम तरंगें हैं। संचरण संभावनाएँ द्वारा दी गई हैं

$\tau _{\alpha }(\omega )=\int _{0}^{\infty }\left[{\frac {k_{\rho }}{2\pi }}{\widehat {\tau }}_{\alpha }(\omega )\right]dk_{\rho },$

कहाँ $k_{\rho }$ अर्ध-अंतरिक्ष की सतह के समानांतर वेववेक्टर का घटक है। आगे,

${\widehat {\tau }}_{\alpha }(\omega )={\begin{cases}{\frac {\left(1-\left|r_{0,1}^{\alpha }\right|^{2}\right)\left(1-\left|r_{0,2}^{\alpha }\right|^{2}\right)}{\left|1-r_{0,1}^{\alpha }r_{0,2}^{\alpha }\exp {\left(2ik_{z,0}l\right)}\right|^{2}}},&{\text{if }}k_{\rho }\leq \omega /c\\{\frac {4\Im {\left(r_{0,1}^{\alpha }\right)}\Im {\left(r_{0,2}^{\alpha }\right)}\exp {\left(-2\left|k_{z,0}\right|l\right)}}{\left|1-r_{0,1}^{\alpha }r_{0,2}^{\alpha }\exp {\left(-2\left|k_{z,0}\right|l\right)}\right|^{2}}},&{\text{if }}k_{\rho }>\omega /c,\end{cases}}$

कहाँ:

• $r_{0,j}^{\alpha }$ के लिए फ़्रेज़नेल समीकरण हैं $\alpha =s,p$ मीडिया 0 और के बीच ध्रुवीकृत तरंगें $j=1,2$,
• $k_{z,0}={\sqrt {(\omega /c)^{2}-k_{\rho }^{2}}}$ अर्ध-अंतरिक्ष की सतह के लंबवत क्षेत्र 0 में वेववेक्टर का घटक है,
• $l$ दो अर्ध-स्थानों के बीच की पृथक्करण दूरी है, और
• $c$ निर्वात में प्रकाश की गति है.

जिसके लिए ऊष्मा स्थानांतरण में योगदान $k_{\rho }\leq \omega /c$ प्रसार तरंगों से उत्पन्न होते हैं जबकि योगदान से $k_{\rho }>\omega /c$ अप्रचलित तरंगों से उत्पन्न होते हैं।

अनुप्रयोग

• thermophotovoltaic* थर्मल सुधार *स्थानीयकृत शीतलन * हीट-असिस्टेड चुंबकीय भंडारण