Phần 2: Các quá trình truyền nhiệt: Nhiệt bức xạ docx

Nguyễn Minh Tân Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm Các phương thức truyền nhiệt • Dẫn nhiệt/ Conduction : Quá trình truyền nhiệt từ phần tử này đến phần tử khác của vật chất khi chúng ti

Trang 1

Các quá trình truyền nhiệt

GV: TS Nguyễn Minh Tân

Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm

Các phương thức truyền nhiệt

•  Dẫn nhiệt/ Conduction : Quá trình truyền nhiệt từ phần tử

này đến phần tử khác của vật chất khi chúng tiếp xúc trực

tiếp với nhau

•  Đối lưu/ Convection : Quá trình truyền nhiệt do các phần

tử chất lỏng hoặc chất khí đổi chỗ cho nhau, do chúng có

nhiệt độ khác nhau hoặc là do bơm, quạt, khuấy trộn,…

•  Bức xạ/ Radiation : Qua trình truyền nhiệt dưới dạng các

sóng điện từ Nhiệt năng biến thành các tia bức xạ rồi

truyền đi, khi gặp vật thể nào đó thì một phần năng lượng

bức xạ đố được biến thành nhiệt năng, một phần phản xạ

lại, và một phần xuyên qua vật thể

Trang 2

QTTB II 01 TS Nguyễn Minh Tân 3

1.3.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Trao đổi nhiệt bức xạ: là một dạng trao đổi nhiệt không cần có sự tiếp xúc trực

tiếp giữa các vật tham gia quá trình trao đổi nhiệt

?

Bức xạ và hấp thụ nhiệt của vật thể:

- Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 độ K đều có khả năng bức xạ năng lượng

- Các tia có hiệu ứng nhiệt cao nhất: tia hồng ngoại và ánh sáng trắng ( λ = 0,4 – 400 µ m)

-   Các tia nhiệt truyền trong không gian và đập vào một vật khác,

bị hấp thụ và biến thành năng lượng nhiệt

-   Quá tình trao đổi nhiệt bức xạ gồm hai lần biến đổi năng lượng:

-   biến đổi nội năng thành sóng điện từ (vật phát)

-   biến đổi từ sóng điện từ thành nhiệt năng (vật thu)

-   Hiệu quả trao đổi nhiệt bức xạ phụ thuộc: bản chất, trạng thái

bề mặt, hình dạng, kích thước,… của vật phát và vật thu)

1.3 Nhiệt bức xạ

QD

QA

D R

Q

1

= + +

Q

Q Q

Q

A

Q

Q A

=

R

Q

Q R

=

Hệ số hấp thụ

D

Q

Q D

= Hệ số khúc xạ

Hệ số phản xạ

A = 1 : Vật đen tuyệt đối

D = 1 : Vật trong tuyệt đối

R =1 : Vật trắng tuyệt đối

D = 0 : Vật xám đục

Trang 3

2

/ m

W dF

dQ

E =

R

E = + = 1 −

Dòng bức xạ Q (W): Lượng nhiệt bức xạ phát ra từ vật với mọi bước sóng,

trong một đơn vị thời gian

Khả năng bức xạ: tổng của bức xạ bản thân (E) và bức xạ phản xạ (ER)

Bức xạ đơn Lượng nhiệt bức xạ ứng với một khoảng chiều dài bước sóng

hẹp λ - λ

Năng suất bức xạ (E, W/m 2 ): dòng nhiệt bức xạ phát trên một đơn vị diện

E E A E E

q = A− = t −

Bức xạ hiệu quả (q, W/m 2 ):lượng nhiệt trao đổi với môi trường xung quanh

tính trên một m 2

Nếu vật khảo sát có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ của môi trường:

t

E E

q = − = −

Nếu vật tỏa nhiệt vào môi trường:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

±

A

q A

E

EHD

Tổng quát: dấu + : vật nhận nhiệt từ môi

trường dấu - : vật tảo nhiệt ra môi trường

Trang 4

1.3.2 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT

ĐỊNH LUẬT PLANCK

1 2

5 1 0

−

=

−

T

C

e

C E

λ λ

λ

Khả năng bức xạ

đơn sắc của vật đen

tuyệt đối

2 15

1 0 , 374 10 Wm

=

K m

C = − 12 2 °

2 1 , 4388 10

∫

∞

−

=

0

5 1 0

0 0

1

2λ λ λ

λ

e

C d

E E

T C

0 1

5 max

1

ma x 2

ma x

=

− +

=

∂

C e

λ λ

Định luật dịch chuyển Wien

K m

λ

Năng lượng bức xạ tại nhiệt độ thường gặp trong kỹ thuật tập trung trong khoảng 0,8 – 100µm

( T ) E ( T )

Độ đen (hệ số bức xạ)

Trang 5

ĐỊNH LUẬT STEFAN- BOLTZMANN

4 0

4 0 0

100⎟⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

C T K E

Hằng số bức xạ của

vật đen tuyệt đối

2

( ) 4 2 8 0

K m

W K

C

°

=

( )4 2 8

0 5 , 7 10

K m

W K

°

Lấy tích phân phương trình của định luật Planck

Định luật Stefan – Bolztmann cũng đúng với vật xám

4 4

0 0

100

⎞

⎜

⎝

⎛

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

C

T C E

ĐỊNH LUẬT KIRCHNOFF

( )T T

A

E

0 ) (

) (

=

λ

2

Tỉ số giữa khả năng bức xạ và khả năng hấp thụ năng lượng của vật

xám chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn bằng khả năng bức xạ của

vật đen tuyệt đối ở cùng một nhiệt độ

Với bức xạ đơn sắc

( )T T

T

E A

E

0 ) (

) (

λ λ

λ

=

Trang 6

1.3.3 BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN

Nhiệt lượng trao đổi giữa các vật phụ thuộc vào:

-   Bản chất vật lý

-   Hình dạng

-   Kích thước

-   Trạng thái bề mặt

-   Nhiệt độ

-   Vị trí tương đối của các vật,…

Khảo sát trong trường hợp trao đổi nhiệt giữa các vật trong môi

trường trong suốt (không hấp thụ, không phản xạ hoặc tán xạ):

-   Bức xạ giữa hai vật thể đặt song song nhau

-   Bức xạ giữa hai vật thể bao bọc nhau

-   Bức xạ giữa hai vật thể đặt bất kỳ trong không gian

Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể phẳng đặt song song nhau

Lượng nhiệt trao đổi giữa hai vật thể bằng hiệu giữa bức xạ hiệu dụng của vật thể

1 và vật thể 2 và bằng lượng nhiệt do vật thể 1 mất đi, chính là lượng nhiệt mà vật

thể 2 nhận được

2 1 2 1

2

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎥

⎤

⎢

⎡

−

⎥

⎤

⎢

⎡

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎥

⎤

⎢

⎡

−

⎥

⎤

⎢

⎡

− +

=

−

+

−

4 2 4 1 2 1

4 2 4 1

1 1

0 2

1 2

1

2 1 1

2

100 100

1 1 1

T T

C T

T A

A

C A

A A

A

E A

E

A

q

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

2

2 2

2 1

1 1

1 2 1

A

q A

E A

q A E q

Trang 7

Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể bao trùm nhau

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎥

⎤

⎢

⎡

−

⎥

⎤

⎢

⎡

= −

−

4 2 4 1 2

T T

C

q

Với

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

− +

=

−

1 1 1

2 2 1 1

0 2

1

A F

F A

C

C F1: Bề mặt vật thể bị bao bọc

F2: Bề mặt vật thể bao bọc

Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể đặt bất kỳ trong không gian

W T

T C

100

4 2

4 1 2

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎥

⎤

⎢

⎡

−

⎥

⎤

⎢

⎡

Với

0

2 1 2 1

C

A A C

π

=

−

ϕ 1-2 : hệ số góc trung bình được xác định theo công thức hoặc theo số

liệu thực nghiệm

2 1 2 1 2

1

1 2

cos cos

dF dF r

F F

∫ ∫

=

−

ϕ ϕ ϕ

Trang 8

1.3.4 BỨC XẠ NHIỆT CỦA CÁC CHẤT KHÍ

-   Cường độ bức xạ của chất lỏng gần bằng cường độ bức xạ của chất rắn, nhưng

thường bị bỏ qua do nó lớn không đáng kể so với toàn bộ quá trình trao đổi nhiệt đối

lưu

-   Phần lớn các chất khí (một nguyên tử và hai nguyên tử) là chất trong suốt với các tia

nhiệt

-   Các chất khí khác (CO2, SO2, H2O, NH3,…) có tính chất bức xạ và hấp thụ các tia

nhiệt trong khoảng bước sóng nhất định

-   Quá trình hấp thụ và bức xạ nhiệt xảy ra trong toàn bộ thể tích khí

-   Có thể coi bức xạ khí cũng tuân theo định luật Stefan-Bolztmann:

W

T C

100

4

0⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤

Độ đen của

Phương thức tuyền nhiệt thứ ba

Tại sao nhiệt lượng có thể

truyền từ mặt trời đến trái đất?

?

Trang 9

Bức xạ nhiệt truyền theo đường thẳng

Đúng/sai Bức xạ nhiệt có thể truyền trong chân không

Đúng/Sai Bức xạ nhiệt truyền qua các hạt

Đúng/Sai Bức xạ nhiệt truyền với tốc độ ánh sáng

Đúng/Sai

Thí nghiệm bức xạ

Four containers were filled with warm water Which

container would have the warmest water after ten minutes?

Shiny metal

Dull metal

Dull black

Shiny black

The container would be the warmest after ten

minutes because its shiny surface reflects heat _ back

into the container so less is lost The container

would be the coolest because it is the best at _ heat

radiation

shiny metal

radiation dull black

emitting

Trang 10

Four containers were placed equidistant from a heater Which

container would have the warmest water after ten minutes?

The container would be the warmest after ten

minutes because its surface absorbs heat _ the best

The _ container would be the coolest because it is

the poorest at heat radiation

dull black

radiation shiny metal

absorbing

Shiny metal

Dull metal

Dull black

Shiny black

Câu hỏi về Đối lưu

Tại sao thường bố trí thiết bị đung nóng

bên dưới thùng đựng nước nóng?

Nước nóng đi lên trên

Khi thiết bị đun nước làm việc, nước nóng đi lên phía

trên, thùng đựng nước nóng luôn chứa đầy nước nóng

Tại sao khí nóng bay lên cao,khí lạnh chìm xuống dưới

Khí lạnh có mật độ cao hơn khí nóng, nên

khí lạnh ‘nặng hơn”

Trang 11

Tại sao tại những nước có khí hậu nóng, nhà ở

thường được sơn trắng?

Màu trắng phản xạ lại các tia bức xạ và giữ cho

ngôi nhà mát hơn

Tại sao lại dùng những tấm chăn sáng bóngbằng kim loại

để quấn cho các vạn động viên chạy Maraton sau khi hộ về

đích?

Vật liệu kim loại sáng bóng phản xạ các tia bức xạ từ bản

thân vận động viên, làm cho họ cảm thấy ấm hơn

1 Những phương thức nào không

phải là phương thức truyền nhiệt?

A Bức xạ

B Cô lập

C Đối lưu

D Dẫn nhiệt

Trang 12

tử nằm sát nhau nhất?

A Rắn

B Lỏng

C Khí

3 Đau là vật liệu tốt nhất dùng

phản xạ các tia bức xạ nhiệt?

A Sáng bóng

B Trắng mờ

C Đen bóng

D Đen mờ

Trang 13

nhiệt tốt nhất?

A Sáng bóng

B Trắng đục

C Đen bóng

D Đen mờ

Bài tập

- Xác định nhiệt lượng tổn thất do bức xạ qua bề mặt của thiết bị hình trụ

bằng thép đặt trong phòng, trên thành thiết bị có phủ một lớp sơn

Kích thước thiết bị như sau: H = 2m; D = 1 m;

Kích thước phòng: cao 4m, dài 10m, rộng 6m

Nhiệt độ thành thiết bị là 70 độ C, nhiệt độ không khí trong phòng

là 20 độ C

Định dạng
Số trang	13
Dung lượng	1,01 MB