石墨烯遠紅外那麼火,談一談紅外輻射到底是怎麼回事

因熱引起的電磁波輻射稱為「熱輻射」。它是由物體內部微觀粒子在運動狀態改變時所激發出來的。激發出來的能量分為紅外線、可見光和紫外線等。其中紅外線對人體的熱效應顯著。溫度較低時,主要以不可見的紅外光進行輻射,當溫度為 300℃ 時熱輻射中最強的波長在紅外區。當物體的溫度在 500℃ 以上至 800℃ 時,熱輻射中最強的波長成分在可見光區。

在光譜中波長自 0.76-400 微米的一段稱為「紅外線」,紅外線是不可見光線。所有高於絕對零度(-273.15℃)的物質都可以產生紅外線。溫度越高,發射熱輻射的能力越強,熱輻數不依靠中間媒介,可以在真空中傳播,且傳播率最高。物體間以熱輻射方式進行的熱量傳遞是雙向的,發射熱輻射能力越快、吸收熱輻射能力也越快。紅外線又區分為:「近紅外線」或稱短波紅外線,波長 0.76-1.5 微米,穿入人體組織較深,約 5-10 毫米;「遠紅外線」或稱長波紅外線,波長 1.5-400 微米,多被表層皮膚吸收,穿透組織深度小於 2 毫米。

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一般來說,燃料燃燒、電熱器具熱源等放出的紅外線多屬於「近紅外線」,由於波長較短,因此產生大量的熱效應,長期照射人體後會產生灼傷皮膚及眼睛水晶體等傷害。「遠紅外線」則不然,由於波長較長,能量相對較低,所以使用時相對較少燙傷之危害。由於生物細胞產生共振效應,可將遠紅外熱能傳遞到人體皮下較深的部分,以下深層溫度上升,產生的溫熱由內向外散發。

遠紅外線在人體皮膚的穿透力僅有 0.8-1.0 釐米,人體本身也會放出波長約 9 微米的遠紅外線,遠紅外線也和家用電器所放射出的低頻電磁波不同,家用電器所釋出的低頻電磁波可穿牆透壁及改變人體電流的特性,而被人們高度懷疑其危害性,所以和低頻電磁波不可混為一談。

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紅外線的頻率與人體內物質的微粒振動的頻率很接近,引起共振,即加快了人體內物質的微粒振動速度,所含熱能增大最多,因此紅外線增熱效應最強。而人體是生物體,人體 70-80% 以是水分子組成的,在共振作用下,首先激活了水分子的振動能級,而產生一系列生理式的反應,通過科學檢測,遠紅外線的熱效應和人體共振吸收後,主要產生以下幾方面功能:

1. 激活了生物大分子的活性;

2. 使生物體的分子處於較高振動狀態;

3. 促進和改善血液循環(通過中國醫學科學院血液病研究所檢測,20 分鐘可使微循環血流量提高 114%);

4. 增強新陳代謝;

5. 提高人體免疫功能(經臨床觀察,遠紅外保健品確有提高機體的巨噬細胞吞噬功能,增強人體的細胞免疫和人體液免疫功能,有利於人體的健康);

6. 具有消炎、消腫的作用;

7. 鎮痛作用。

由「能量守恆定律」得知,宇宙的能量不能發生,也不會消失,只可以改變能量的方式。熱能便是宇宙能量的一種,可以用輻射、傳導和對流的方式進行轉換。在輻射的過程中,便有一部份熱能形成紅外線。紅外線放射速度與可見光線相同,而且能夠像光一樣直線前進;如果使用反射板,便能改變它的傳導方向。關於熱輻射,其重要規律有四個:基爾霍夫輻射定律(Kirchoff‘s Law)、普朗克輻射分佈定律(Planck‘s Law)、斯蒂藩-玻耳茲曼定律(Stefan-Boltzmann‘s Law)、維恩位移定律(Wien’ Law)。這四個定律,有時統稱為「熱輻射定律」。物體在向外輻射的同時,還吸收從其他物體輻射來的能量。物體輻射或吸收的能量與它的溫度、表面積、黑度等因素有關。但是,在熱平衡狀態下,輻射體的光譜輻射出射度(見輻射度學和光度學)r(λ,T)與其光譜吸收比 a(λ,T)的比值則只是輻射波長和溫度的函數,而與輻射體本身性質無關。上述規律稱為基爾霍夫輻射定律,由德國物理學家 G.R.基爾霍夫於 1859 年建立。式中吸收比a 的定義是:被物體吸收的單位波長間隔內的輻射通量與入射到該物體的輻射通量之比。該定律表明,熱輻射輻出度大的物體其吸收比也大,反之亦然。

目前,低能量密度遠紅外線根據臺灣醫學研究團隊的研究成果顯示,在細胞實驗中,在 1mW/cm² 遠紅外線照射下,細胞中特定蛋白質活性增加2倍,及在臨床使用約 20mW/cm² 照射下,血管暢通率可達 85.9%。雖然遠紅外線的波長較長,能量較低,對皮膚的穿透性不強,直接穿透皮膚深度僅 0.8mm-1mm,但臨床上已確實觀察到,遠紅外線可對人體產生的正面影響已超過此深度,舉凡腸胃、氣管、神經、深層血管、肌肉和關節等,皆會對遠紅外線產生良好的反應,或許這就是「共振生熱」造成的現象。

既然遠紅外線紡織品有相關認證,我們也來討論看看,紡織品需考量觸感,纖維中可融入的遠紅外線材料受限,和照射儀器相比,所放出的遠紅外線量相差很大,效果較有限,必須貼身才有效果,那內衣應該可以勝任,但功率卻不足以發射遠紅外線,把它視為加熱衣還比較恰當。如果要做成理療產品就必須貼身及自帶電源,那麼眼罩、護頸、護膝及宮暖等產品是可以勝任的,但要求法向發射率要高。

再來看看地暖,電暖這種低溫熱輻射產品在工作時候存在兩種輻射:雜散電磁場(由電流產生)和熱輻射(紅外線)。

還好,雜散磁場一般斷電後立即消失。紅外輻射會持續,直到電熱絲和周圍環境溫度相同才會停止。而雜散磁場強度在電熱膜表面最強,電熱膜在佈線時候按照一定規律排列,往往兩個導線產生的磁場方向相反,互相抵消,地暖表面電磁場幾乎為零。電磁輻射是人們擔心的有害成分,事實上,合格的地暖只要通過上述那些指標,消費者應該不用擔心這個輻射。

根據公式:W=VIt,除了極少部份損耗,電幾乎都轉換成熱。但是這中間還有一個很重要的參數,即電-熱輻射轉換效率是多少?電-熱輻射轉換效率公式:η=Sσ(Tr4–To4)/P。一般而言,電-熱輻射轉換效率是低於電熱轉換效率的。

最後,我們再來談談「輻射冷卻」效應,輻射冷卻是指物件通過輻射散去熱能的過程。任何良好的輻射體,必然是良好的吸收體。在同一溫度下,輻射本領越大,其吸收本領越強,兩者成正比關係,所有含遠紅外線的物體,既可以輻射遠紅外線,也可以吸收遠紅外線,輻射與吸收是對等的。暴露在晴朗夜空下的物體,通常可以達到比環境溫度低幾度的平衡溫度,這種現象稱為「自然輻射冷卻」。地球周圍的大氣層對可見光是透明的,對絕大部分波段的紅外輻射是不透過的,只在 8-13μm 波段可透過紅外輻射,此波段稱為“大氣窗口”。地球表面物體的熱能就是以紅外輻射的方式穿過此“大氣窗口”,散發到接近絕對零度的大氣外層空間。但是在晴朗的白天,要想獲得較好的輻射冷卻效果,就必須隔絕周圍環境對該物體的傳熱,首要解決的問題是避免太陽光中的可見光輻射到該物體上。

在實際測試中,薄膜在中午的陽光曝曬下的輻射冷卻功率達到 93 W/m²,大致等於面積相當的太陽能電池產生的電力。入夜之後輻射冷卻功率還會更高,也就是說這種新式塑膠薄膜完全可以不分晝夜持續輻射降溫。根據他們的研究報告,最多能使鋪上這層塑膠薄膜的物體冷卻多達 10°C,研究人員推估只要在屋頂上鋪上約 10-20 平方公尺的這種材料的話,就算是三十幾度的夏天高溫,也能讓房子維持在舒適的二十多度附近。

感謝宮非宮總的支持。


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