Bài giảng trao đổi nhiệt bức xạ

Bài giảng: Trao đổi nhiệt bức xạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG

CHƯƠNG IV TRAO ĐỔI NHIỆT

BỨC XẠ

CÂU HỎI THẢO LUẬN

Ngoài lớp khí quyển bao xung quanh Trái Đất, khoảng không gian còn lại giữa Trái Đất và Mặt Trời là khoảng chân không

Trong khoảng chân không này, không xảy ra dẫn nhiệt và đối lưu nhịệt

Vậy, năng lượng của Mặt Trời đã truyền xuống Trái Đất bằng cách nào?

BỨC XẠ NHIỆT Thí nghiệm

II BỨC XẠ NHIỆT

Một bình cầu đã phủ muội đen, trên

nút có gắn một ống thuỷ tinh, trong

ống thuỷ tinh có một giọt nước màu,

được đặt gần một nguồn nhiệt như

ngọn lửa đèn cồn.

1 Thí nghiệm

Lấy miếng gỗ chắn giữa nguồn nhiệt và bình cầu

BỨC XẠ NHIỆT

II BỨC XẠ NHIỆT

1 Thí nghiệm

C7 Gi ọt nước màu dịch chuyển về đầu B chứng tỏ điều gì?

2.Trả lời câu hỏi

Giọt nước màu dịch chuyển về đầu B chứng tỏ không khí trong bình nóng lên và nở ra.

C8 Gi ọt nước màu dịch chuyển trở lại đầu A chứng tỏ điều gì? Miếng gỗ

đã có tác dụng gì?

Giọt nước màu dịch chuyển trở lại đầu A chứng tỏ không khí trong bình đã lạnh đi Miếng gỗ đã ngăn không cho nhiệt truyền từ đèn sang bình Điều này chứng tỏ nhiệt đã truyền từ đèn sang bình bằng đường thẳng.

BỨC XẠ NHIỆT

I DẪN NHIỆT VÀ ĐỐI LƯU NHIỆT

Đối lưu là sự truyền nhiệt bằng các dòng chất lỏng hoặc chất khí, đó chính là hình thức truyền nhiệt chủ yểu của chất lóng và chất khí.

II BỨC XẠ NHIỆT

1 Thí nghiệm

C9 S ự truyền nhiệt từ nguồn nhiệt tới bình cầu có phải là dẫn nhiệt và đốí lưu không? Tại sao?

2.Trả lời câu hỏi

Sự truyền nhiệt từ nguồn nhiệt tới bình cầu không phải là dẫn nhiệt

vì chất khí dẫn nhiệt kém, cũng không phải là đối lưu vì nhiệt được truyền theo đường thẳng.

ra ngay cả trong chân không.

2.Trả lời câu hỏi

Thí nghiệm cho thấy khả năng hấp thị nhiệt của một vật phụ thuộc vào tính chất của bề mặt Vật có bề mặt càng xù xì và màu càng sẫm thì thì hấp thụ các tia nhiệt càng nhiều.

BỨC XẠ NHIỆT

Một số khái niệm:

• Bức xạ là gì?

– Một vật bất kỳ có nhiệt độ lớn hơn

0K, luôn có sự biến đổi nội năng

của vật thành năng lượng sóng

điện từ.

– Các sóng điện từ truyền đi trong

không gian theo mọi phương với

vận tốc ánh sáng và có chiều dài

Một số loại sóng điện từ

BỨC XẠ NHIỆT

0.05*10-6 m(0.5 – 1).10-6 m

10-6 – 20.10-3 m20.10-3 – 0.4 m0.4 – 0.8 m0.8 – 400 m

Aùnh sáng thấy được

Tia hồng ngoại

Sóng vô tuyến

Bứơc sĩngDạng sĩng

2 Các định nghĩa về bức xạ nhiệt:

PHÂN LOẠI THEO NGUỒN GỐC

• Từ ánh sáng mặt trời : tia hồng ngoại, tia

tử ngoại.

• Từ bức xạ ion : tia Alpha, tia Bêta, tia X, tia

Gamma và Nơtron

BỨC XẠ TỪ ÁNH SÁNG MẶT TRỜI

Mặt trời phát ra ánh sáng và tỏa nhiệt xuống trái đất.

Bao gồm các tia có bước sóng khác nhau: từ tia hồng ngoại có bước sóng dài đến tia tử ngoại có bước

sóng ngắn.

Ở trong dãy quang phổ: từ ánh sáng đỏ trở lên là tia hồng ngoại, từ ánh sáng tím trở xuống là tia tử ngoại.

SƠ ĐỒ BIỂU THỊ SỰ PHẢN XẠ VÀ HẤP THỤ

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

ẢNH CHỤP QUA VỆ TINH

TIA HỒNG NGOẠI

Là những bức xạ không nhìn thấy được, có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng đỏ (0,75µm).

Trong ánh sáng mặt trời có khoảng 50% năng lượng của chùm ánh sáng là thuộc về tia hồng ngoại.

Vật bị nung nóng cũng phát ra tia hồng ngoại.

TÁC DỤNG & ỨNG DỤNG

sấy hoặc sưởi, làm nóng nước…)

sấy khô các sản phẩm sơn (như vỏ ôtô, vỏ tủ lạnh…), hoa quả.

ăn…

cho máu lưu thông được tốt.

TIA TỬ NGOẠI

Là những bức xạ không nhìn thấy được, có bước sóng ngắn hơn bước sóng của ánh sáng tím (0,4 m).

Nguồn gốc:

- Mặt trời là nguồn phát tia tử ngọai rất mạnh, chiếm

khoảng 9% công suất của chùm ánh sáng mặt trời.

- Hồ quang điện cũng là một nguồn phát tia tử ngoại

mạnh.

TÁC DỤNG & ỨNG DỤNG

Gây phản ứng quang hóa, quang hợp, ion hóa không khí, một số tác dụng sinh học…

Trong công nghiệp: phát hiện các vết nứt, vết xước trên bề mặt các sản phẩm tiện, Pin mặt trời…

Trong y học: chữa bệnh còi xương

• Nhận xét khi chiếu tia sáng mặt trời

và sóng radio vào nguời?

• Vậy, BỨC XẠ NHIỆT là gì?

Một số loại sóng điện từ

MỘT SỐ KHAÍ NIỆM VỀ BỨC XẠ NHIỆT

• Bức xạ nhiệt là gì?

– Những tia mà ở nhiệt độ thường gặp, chúng có

hiệu ứng nhiệt cao, nghĩa là vật có thể hấp thu

được và biến thành nhiệt năng, gọi là tia nhiệt

Những tia này có bước sóng:

– Bao gồm: tia tử ngoại, ánh sáng nhìn thấy đuợc, tiahồng ngoại

– Qúa trình phát sinh và truyền đi những tia ấy gọi làquá trình bức xạ nhiệt

m



  0 4  40

Phân bố các dòng năng lượng do trao đổi nhiệt

bức xạ trong trường hợp tổng quát

Q Q

Q

Một số khái niệm

• Các vật khác nhau thì hấp thụ nhiệt khác nhau Vậtđen thì hấp thụ nhiệt nhiều hơn vật trắng Ngược lại, vật trắng thì phản xạ nhiệt nhiều hơn vật đen

• Vật đen tuyệt đối: là vật có bề mặt hấp thụ hoàn toàncác tia đập lên nó (A = 1; D=R=0)

• Vật trắng tuyệt đối: là vật phản xạ tất cả các tia sángđập lên nó (R=1; A=D=0)

• Vật trong tuyệt đối: là vật cho tất cả các tia sáng đi

qua nó (D=1; A=R=0)

d Cường độ bức xạ đơn sắc:

E [w/m 2 ] còn gọi là khả năng bức xạ đơn sắc Là mật độ bức xạ bán cầu đối với một dải hẹp chiều dài bước sóng   (  + d  ).

a Dòng bức xạ toàn phần: Q [W]

là tổng năng lượng bức xạ phát ra trên bề mặt F của vật trên toàn bộ không gian nửa bán cầu với tất cả các bước sóng từ 0 - .

b Dòng bức xạ đơn sắc: Q  [W]

là tổng năng lượng bức xạ phát ra trên bề mặt F của vật trên toàn bộ không gian nửa bán cầu chỉ xét trong một dải hẹp bước sóng từ

  ( + d)

c Mật độ bức xạ bán cầu:

E [W/m 2 ] còn gọi là khả năng bức xạ bán cầu Là dòng bức xạ bán

cầu phát ra trên một đơn vị diện tích của bề mặt bức xạ.

dQ

E 

3 Những định luật cơ bản về bức xạ nhiệt:

1

W e

C I

- I: Cường ộ BX của vật en tuyệt đối;

- C1 : hằng số Plank thứ nhất, C1 = 3,74.10 -16 [W.m 2 ]

- C2 : hằng số Plank thứ hai, C2 = 1,4388.10 -2 [m.K]

-  : chiều dài bước sóng [m]

- T : Nhiệt độ tuyệt đối [K]

- e : cơ số logarit tự nhiên.

- Chỉ số “0” biểu thị vật khảo sát là vật đen tuyệt đối.

b Định luật Stephan –Bôzơman:

E =  T 4

4 0

0

0 C

C E

Định luật Lambert (Định luật Cosin)

• Năng lượng bức xạ của

phân tố bề mặt bức xạ

dF1 theo các phương

khác nhau sẽ thay đổi

tùy theo góc tạo thành

giữa pháp tuyến của bề

mặt đẳng nhiệt dF1 với

phương cần xét

theo phương pháp tuyến

và phương của một đơn

Trao đổi nhiệt bức xạ giữa các vậtđặt trong môi trường trong suốt

q q

q12 = E12 = Ehd1 – Ehd2

36

b Trao đổi nhiệt bức xạ giữa 2 vật bọc nhau :

4 1 1

0 12 12

100

T 100

T

F C Q

F 1

1

2 2

1

1 12

1



2 (T1 T2 )

Giả sử vật 1 cĩ diện tích bằng F1, nhiệt độ T1và cĩ A1,

được bọc bởi vật 2 cĩ diện tích F­2, nhiệt độ T2và cĩ A2,

Trường hợp đặc biệt:

BỨC XẠ CỦA CHẤT KHÍ

• Một số lưu ý:

– Bức xạ khí 1 hoặc 2 nguyên tử có khả năng bức xạ

bé Đề cập chủ yếu tới khí 3 nguyên tử

– Tính chất:

• Bức xạ khí có tính chọn lọc

• Bức xạ khí có tính thể tích

– Đối với hỗn hợp khí, phải tính tới ảnh hưởng tươnghổ khi trong phổ bức xạ của chúng có dãy chồng

nhau

–

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Năng lượng ánh sáng mặt trời được ứng dụng để làm các hệ thống đun nước, bếp nấu ăn, Pin mặt trời…

HỆ THỐNG ĐUN NƯỚC BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LOẠI DÙNG TẤM KÍNH PHẲNG

44

NHẬN XÉT

bức xạ mặt trời cao, những vùng mà nước có độ tin khiết không cao, nước cứng Phù hợp với điều kiện địa lý ở Việt Nam.

những ngày mưa kéo dài, không có ánh mặt trời nước sẽ không nóng.

HỆ THỐNG ĐUN NƯỚC BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI LOẠI DÙNG ỐNG CHÂN KHÔNG

MẶT CẮT DỌC

MẶT CẮT NGANG

NHẬN XÉT

 Ưu điểm : hấp thu nhiệt tốt nên phù hợp với những vùng lanh hay có mưa đá, tuyết.

 Khuyết điểm : ở những vùng có độ bức xạ mặt trời cao, nước trong bình có thể bị đun sôi làm thiết bị mau hư Nhất là

ở những vùng nước cứng, sau 1 thời gian sử dụng sẽ bị đóng cặn, kết tủa trong ống.

BẾP DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

dùng nhiệt hội tụ từ chảo Parabol, gương phản xạ, máng hội tụ.

…

 Công dụng: nấu nước, nấu cơm, nấu canh, luộc rau …

MỘT SỐ LOẠI BẾP

Bếp hội tụ

Bếp hộp

Bếp hấp thu dạng phản xạ gương phẳng

Bếp hấp thu dạng phản xạ máng hội tụ

BẾP HỘI TỤ

BẾP HỘP

BẾP HẤP THU DẠNG PHẢN XẠ

GƯƠNG PHẲNG

BẾP HẤP THU DẠNG PHẢN XẠ

MÁNG HỘI TỤ