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

1 Phần 2 Các quá trình truyền nhiệt GV: TS. Nguyễn Minh Tân Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 2 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 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 1.3. Nhiệt bức xạ ? 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 µm) -  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) QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4 1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.3. Nhiệt bức xạ Q Q R Q D Q A DRA QQQQ ++= 1=++ Q Q Q Q Q Q DRA 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 3 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5 1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.3. Nhiệt bức xạ 2 / mW dF dQ E = ( ) tRHD EAEEE −=+= 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 (E R ) Bức xạ đơn Lượng nhiệt bức xạ ứng với một khoảng chiều dài bước sóng hẹp λ - λ + dλ" Năng suất bức xạ (E, W/m 2 ): dòng nhiệt bức xạ phát trên một đơn vị diện tích bề mặt bức xạ" QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6 1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.3. Nhiệt bức xạ EEAEEq tA −=−= . 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: tA EAEEEq .−=−= Nếu vật tỏa nhiệt vào môi trường: ! " # $ % & −±= 1 1 A q A E E HD Tổng quát: dấu + : vật nhận nhiệt từ môi trường dấu - : vật tảo nhiệt ra môi trường 4 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7 1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT 1.3. Nhiệt bức xạ 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 215 1 10.374,0 WmC − = KmC °= − 212 2 10.4388,1 ∫∫ ∞ − ∞ − == 0 5 1 0 00 1 2 λ λ λ λ λ d e C dEE T C 01 5 max 1 ma x 2 ma x =−+= ∂ ∂ = T C e E T C o λλ λ λλ λ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8 1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT 1.3. Nhiệt bức xạ Định luật dịch chuyển Wien KmT °= −3 ma x 10.898,2 λ Năng lượng bức xạ tại nhiệt độ thường gặp trong kỹ thuật tập trung trong khoảng 0,8 – 100µm ( ) ( ) TETE ,, 0 λελ = Độ đen (hệ số bức xạ) 5 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9 1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT 1.3. Nhiệt bức xạ ĐỊNH LUẬT STEFAN- BOLTZMANN 4 0 4 00 100 ! " # $ % & == T CTKE Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối 2 ( ) 4 2 8 00 7,510. Km W KC ° == ( ) 4 2 8 0 10.7,5 Km W K ° = − Lấy tích phân phương trình của định luật Planck Định luật Stefan – Bolztmann cũng đúng với vật xám 44 00 100100 ! " # $ % & = ! " # $ % & == T C T CEE εε QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10 1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT 1.3. Nhiệt bức xạ ĐỊNH LUẬT KIRCHNOFF ( ) T T T E 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 = 6 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11 1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN 1.3. Nhiệt bức xạ 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 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12 1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN 1.3. Nhiệt bức xạ 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 212121 qqEEq HDHD ==−= − ! ! " # $ $ % & ' ( ) * + , − ' ( ) * + , = ! ! " # $ $ % & ' ( ) * + , − ' ( ) * + , −+ = −+ − = −− 4 2 4 1 21 4 2 4 1 11 0 2121 2112 21 100100100100 1 11 TT C TT AA C AAAA EAEA q ! " # $ % & ' ' ( ) * * + , −−− ! " # $ % & ' ' ( ) * * + , −−= − 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 1 1 21 A q A E A q A E q 7 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13 1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN 1.3. Nhiệt bức xạ Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể bao trùm nhau ! ! " # $ $ % & ' ( ) * + , − ' ( ) * + , = −− 4 2 4 1 2121 100100 TT Cq Với ! ! " # $ $ % & −+ = − 1 11 22 1 1 0 21 AF F A C C F1: Bề mặt vật thể bị bao bọc F2: Bề mặt vật thể bao bọc QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14 1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN 1.3. Nhiệt bức xạ Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể đặt bất kỳ trong không gian W TT CQ , 100100 21 4 2 4 1 21 −− ⋅ # # $ % & & ' ( ) * + , - . − ) * + , - . = ϕ Với 0 21 21 C AA C π = − ϕ 1-2 : hệ số góc trung bình được xác định theo công thức hoặc theo số liệu thực nghiệm 21 21 21 1 2 coscos dFdF r F F ∫ ∫ = − ϕϕ ϕ 8 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15 1.3.4. BỨC XẠ NHIỆT CỦA CÁC CHẤT KHÍ 1.3. Nhiệt bức xạ -  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 (CO 2 , SO 2 , H 2 O, NH 3 ,…) 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 CQ K , 100 4 0 ! " # $ % & = ε Độ đen của khí Nhiệt độ của khí QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16 Phương thức tuyền nhiệt thứ ba Tại sao nhiệt lượng có thể truyền từ mặt trời đến trái đất? ? 9 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17 Bức xạ 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 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 18 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 10 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 19 Thí nghiệm hấp thụ 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 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20 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”. [...]... là phương thức truyền nhiệt? A Bức xạ B Cô lập C Đối lưu D Dẫn nhiệt QTTB II 01 TS Nguyễn Minh Tân 22 11 2 Trong trạng thái nào, các phần tử nằm sát nhau nhất? A Rắn B Lỏng C Khí QTTB II 01 TS Nguyễn Minh Tân 23 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 QTTB II 01 TS Nguyễn Minh Tân 24 12 5 Loại bề mặt nào hấp thụ bức xạ nhiệt tốt nhất?...Câu hỏi vể Bức xạ 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... đục C Đen bóng D Đen mờ QTTB II 01 TS Nguyễn Minh Tân 25 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 QTTB II 01 TS Nguyễn Minh Tân 26 . 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 1.3. Nhiệt bức xạ ? Bức xạ. 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