Khi bức xạ, nhiệt năng nội năng của vật biến thành năng lượng của các dao động điện từ truyền đi trong không gian, khi gặp các vật khác, một phần hoặc toàn bộ năng lượng đó bị vật hấp th
Trang 1CHƯƠNG 3 NHIỆT BỨC XẠ 3.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Tất cả các vật thể có nhiệt độ cao hơn 0oK thì đều có phát ra những tia năng lượng dưới dạng những tia bức xạ lan truyền ra không gian xung quanh vật thể Như thế chứng
tỏ năng lượng đã biến thành tia bức xạ Nếu vật thể có nhiệt độ càng cao thì lượng nhiệt truyền đi dưới dạng năng lượng càng lớn Nhưng ở nhiệt độ thấp thì bức xạ vô cùng nhỏ (không có ý nghĩa trong kỹ thuật), chỉ có ở khoảng nhiệt độ lớn 100, 200oC trở lên thì bức
xạ hồng ngoại mới có ý nghĩa đáng kể
Đặc điểm của bức xạ nhiệt là luôn luôn gắn liền với việc chuyển hoá năng lượng
từ dạng này sang dạng khác Khi bức xạ, nhiệt năng (nội năng) của vật biến thành năng lượng của các dao động điện từ truyền đi trong không gian, khi gặp các vật khác, một phần (hoặc toàn bộ) năng lượng đó bị vật hấp thu và lại biến thành nhiệt năng Mức độ hấp thu phụ thuộc vào độ đen của vật Năng lượng hấp thu này một phần lại được phát trở lại dưới dạng năng lượng sóng điện từ và quá trình cứ thế tiếp tục mãi Như vậy, 1 vật không chỉ luôn luôn phát đi năng lượng bức xạ mà đồng thời nhận năng lượng bức xạ từ các vật khác đến nó
Về bản chất vật lý thì bức xạ nhiệt cũng giống như bức xạ ánh sáng, cũng tuân theo các định luật phản xạ, khúc xạ và hấp thu, cũng truyền theo 1 đường thẳng, cũng xuyên qua hoàn toàn khoảng chân không với tốc độ không đổi là 3.1010 cm/s Nhưng giữa chúng chỉ khác nhau về bước sóng Tuỳ theo chiều dài của bước sóng mà người ta phân ra:
Tia sáng (nhìn được bằng mắt thường) 0,4 ÷ 0,8µm
Tia hồng ngoại (không nhìn được bằng mắt thường) 0,8 ÷ 40µm
Trao đổi nhiệt bức xạ đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình truyền nhiệt của nhiều thiết bị: lò hơi,
Lưu ý:
−Không chỉ có vật nóng truyền năng lượng cho vật lạnh mà quá trình ngược lại vẫn xảy ra Số năng lượng nhận được bằng hiệu số giữa năng lượng nhận và năng lượng mất đi Kết quả của việc trao đổi năng lượng vẫn tuân theo định luật nhiệt động thứ 2 nghĩa là vật có nhiệt độ cao truyền năng lượng cho vật có nhiệt độ thấp
Trang 2Q Q R
Q D
−Đối với quá trình dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt đối lưu, cường độ tiến hành của quá trình trên cơ bản được xác định bởi độ chênh nhiệt độ giữa các vật Nhưng đối với trao đổi nhiệt bức xạ thì cường độ của quá trình không chỉ phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ mà còn phụ thuộc cả vào giá trị nhiệt độ tuyệt đối của vật Nếu nhiệt độ của vật càng cao (trong trường hợp có cùng hiệu số nhiệt độ) thì lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ càng lớn
−Trao đổi nhiệt bằng bức xạ giữa các vật có thể tiến hành ngay cả khi giữa các vật đó là chân không (khác với dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt)
* Xét 1 chùm tia bức xạ mang năng lượng Q đập vào bề mặt 1 vật thể, trong trường hợp tổng quát nhất năng lượng đó sẽ chia ra 3 phần:
• 1 phần năng lượng QA được vật hấp thu để biến đổi thành nhiệt năng
• 1 phần năng lượng QR bị phản xạ trở lại
• 1 phần năng lượng QD khúc xạ qua vật thể
Hình 3.1: Tia bức xạ tới vật thể
Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:
Q = QA + QR + QD
hoặc: + + =1
Q
Q Q
Q Q
Q A R D
Ký hiệu: A
Q
Q A
= : hệ số hấp thu của vật thể
R
Q
Q R
= : hệ số phản xạ của vật thể
D
Q
Q D = : hệ số khúc xạ của vật thể thì ta có: A + D + R = 1
Các hệ số A, D, R không có thứ nguyên và biến đổi từ o đến 1 Trị số của chúng phụ thuộc vào bản chất của vật, nhiệt độ, trạng thái của vật, chiều dài bước sóng mà vật đó phát đi
Trang 3Những vật có khả năng hấp thu toàn bộ năng lượng bức xạ tới gọi là vật đen tuyệt đối hoặc vật đen lý tưởng
Khi đó R = D = 0; A = 1
Những vật phản xạ toàn bộ năng lượng bức xạ tới gọi là vật trắng tuyệt đối hoặc vật trắng lý tưởng
Khi đó A = D = 0; R = 1
Những vật cho xuyên qua toàn bộ năng lượng bức xạ gọi là vật trong tuyệt đối
Khi đó A = R = 0; D = 1 Nhưng trong thực tế không có vật đen tuyệt đối, vật trắng tuyệt đối và vật trong tuyệt đối Ta gọi đó là các vật xám
Không khí sạch gần đúng có thể coi như D = 1 Đối với các vật rắn thực tế có thể coi như D = 0 và A + R = 1 và gọi là vật đục
3.2 ĐNNH LUẬT STEFAN-BALTZMAN
Stefan đã tìm ra định luật này bằng thực nghiệm năm 1879 và đến năm 1884, Baltzman bằng lý thuyết đã chứng minh rằng “cường độ bức xạ của vật đen tuyệt đối tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối luỹ thừa bậc 4”
(W/m2) (3.1)
Với Eo: cường độ bức xạ (W/m2)
T: nhiệt độ tuyệt đối của vật thể (oK)
Co = 5,7 W/m2K4: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
Định luật này chỉ chính xác đúng cho vật đen tuyệt đối
Nhưng qua các thí nghiệm của Stefan và các nhà khoa học khác thì định luật này cũng áp dụng cho vật xám Trong trường hợp này:
4
100
=C T
Với C là hệ số bức xạ của vật xám, nó thay đổi tuỳ theo bản chất, trạng thái bề mặt và nhiệt độ của vật Giá trị của C nằm trong khoảng 0 < C < Co
Giá trị
0
C
C
=
ε : gọi là độ đen của vật (0 < ε < 1) được xác định bằng thực nghiệm
4 0
0
100
E
Trang 4Bảng 3.1: Độ đen bức xạ toàn phần định mức của vật liệu
- Nhôm nhẵn
- Nhôm có bề mặt nhám
- Đồng đỏ nhẵn
- Đồng đỏ nhám
- Vonfram
- Sắt
Điện phân, được đánh bóng cNn thận
Hàn, được đánh bóng cNn thận
Được đánh bóng
Sắt tấm chưa gia công
- Thép
Thép tấm được mài nhẵn
Bị oxy hoá ở 600oC
Bị oxy hoá bề mặt xù xì
- Gang
Được đánh bóng
Được tiện
Bị oxy hoá ở 600oC
Xù xì, bị oxy hoá nhiều
- Vàng được đánh bóng cNn thận
- Đồng thau
Được đánh bóng cNn thận, thành phần khối
lượng 73,2%Cu, 26,7%Zn
Được dát mỏng với bề mặt tự nhiên
Bị mờ đục
Bị oxy hoá khi đốt nóng dưới 600oC
- Đồng
Điện phân, được đánh bóng cNn thận
50 ÷500
20 ÷50
50
50 ÷150
200
600 ÷1000
1500 ÷2200
175 ÷225
40 ÷250
425 ÷1020
925 ÷1115
940 ÷1100
200 ÷600
40 ÷370
200
830 ÷990
200 ÷600
40 ÷250
225 ÷625
245 ÷355
22
50 ÷350
200 ÷600
80
0,04 ÷0,06 0,06 ÷0,07 0,1 0,55 0,05 0,1 ÷0,16 0,24 ÷0,31
0,052 ÷0,064 0,28 0,144 ÷0,377 0,87 ÷0,95
0,52 ÷0,61 0,79 0,94 ÷0,97 0,21
0,60 ÷0,70 0,64 ÷0,78 0,96 0,018 ÷0,035 0,028 ÷0,031 0,06 0,22 0,61 ÷0,59 0,018
Trang 5Được đánh bóng
Bị đốt nóng liên tục và phủ một lớp oxy dày
Bị oxy hoá khi đốt nóng dưới 600oC
- Bạch kim tinh khiết được đánh bóng
- Các chế phNm từ bạch kim
Sợi mảnh
Dây
- Thuỷ ngân tinh khiết
- Bạc nguyên chất được đánh bóng
- Crôm
- Các vật liệu chịu lửa, cách nhiệt, xây dựng:
Cactông amian
Gạch samôt
Gạch đỏ bề mặt xù xì
Sứ có tráng men
Vôi vữa trát xù xì
- Các loại vật liệu khác:
Than đá đã chọn rửa (độ tro 0,9%)
Nước
Bề mặt kim loại bị dính ướt
Sơn đen bóng phủ trên bề mặt thép
Sơn đen không bóng
Các loại sơn dầu màu sắc khác nhau
Sơn kim nhũ (nhôm) trên thép tấm không nhẵn
bóng
Cao su mềm đã tinh chế, màu xám
Cao su cứng đã được mài bóng
Thuỷ tinh
Xỉ lò hơi
115
25
200 ÷600
225 ÷625
25 ÷1230
225 ÷1735
0 ÷100
200 ÷600
38 ÷538
24
1100
20
22
10 ÷90
125 ÷625
0 ÷100
20
25
40 ÷95
100
20
24
23
250 ÷1000
0 ÷100
200 ÷500
600 ÷1200
0,023 0,78 0,57 ÷0,55 0,054 ÷ 0,105
0,036 ÷0,192 0,073 ÷0,182 0,09 ÷0,12 0,02 ÷0,03 0,08 ÷0,26 0,96 0,75 0,93 0,92 0,91
0,81 ÷0,79 0,95 ÷0,963 0,980
0,875 0,96 ÷0,90 0,92 ÷0,96 0,39
0,859 0,945 0,87 ÷0,72 0,97 ÷0,93 0,89 ÷0,70 0,76 ÷0,70
Trang 6Sắt tráng men màu trắng
Muội đen (mồ hóng) có hạt > 0,075mm
Muội đen trên thuỷ tinh nước
Muội đen trên bề mặt cứng
Thạch cao
1400 ÷1800
20
40 ÷360
20 ÷200
50 ÷1000
20
0,69 ÷0,67 0,9 0,95 0,66 0,96 0,903
3.3 BỨC XẠ GIỮA 2 VẬT THỂ RẮN
Như ta đã biết mọi vật thể rắn có nhiệt độ lớn hơn 0oK đều có thể trao đổi nhiệt bức xạ với nhau Lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa các vật phụ thuộc vào một loạt các yếu tố: bản chất vật lý, hình dạng, kích thước, trạng thái bề mặt, nhiệt độ, vị trí tương đối của các vật,
Ở đây ta chỉ xét một số trường hợp đơn giản: trao đổi nhiệt giữa các vật trong môi trường trong suốt, D =1 (môi trường không hấp thu, không phản xạ) trong 3 trường hợp:
3.3.1 Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật thể phẳng đặt song song nhau
Xét 2 vật phẳng đặt song song nhau có các thông số T1, A1, ε1 và T2, A2, ε2 với T1>T2
(W/m2) (3.2)
1 2
1 1
1
C C
A A
− =
+ −
: gọi là hệ số bức xạ chung
3.3.2 Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật thể bao trùm nhau
(W/m2) (3.3)
1 2
1
1
C C
F
A F A
− =
+ −
F1: bề mặt vật bị bao bọc
F2: bề mặt vật bao bọc
1 2 1 2
q− C−
1 2 1 2
q− C−
Trang 73.3.3 Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể đặt bất kỳ trong không gian
(W) (3.4)
1 2
0
A A C
C
π
− =
φ1-2: hệ số góc trung bình được xác định theo công thức:
1 2
cos cos
F F
dF dF r
ϕ− =∫ ∫
F1, F2: bề mặt bức xạ của vật thể
φ1, φ2: góc tạo bởi hướng của tia bức xạ và pháp tuyến của bề mặt bức
xạ
Hình 3.2: Bức xạ giữa hai vật thể bất kỳ
r: khoảng cách giữa các vật thể bức xạ
Khi tính toán hệ số góc trung bình φ1-2 ta gặp rất nhiều khó khăn, thường người ta xaá định bằng đồ thị trong các tài liệu tham khảo
3.4 BỨC XẠ CỦA CHẤT KHÍ
Các chất khí cũng có khả năng bức xạ và hấp thu nhưng có những đặc điểm khác với bức xạ của vật rắn và chất lỏng giọt:
− Bức xạ chất khí có tính chọn lọc, nghĩa là chất khí chỉ bức xạ và hấp thu
năng lượng trong những khoảng chiều dài bước sóng nhất định (ngoài những khoảng
bước sóng ấy xem như chất khí là trong suốt), do đó quang phổ bức xạ và hấp thu của chất khí là quang phổ vạch (còn quang phổ bức xạ và hấp thu của vật rắn là quang phổ liện tục)
- Ở vật rắn (hoặc chất lỏng), bức xạ chỉ xảy ra trên bề mặt của vật, ngược lại đối với chất khí quá trình bức xạ và hấp thu năng lượng xảy ra trên toàn bộ thể tích Do đó,
Q=C− − ϕ−
Trang 8quá trình bức xạ của chất khí phụ thuộc vào chiều dày lớp khí và thành phần của hỗn hợp khí
Nếu trong hỗn hợp khí có 2 khí bức xạ mà vùng quang phổ của chúng trùng nhau thì phần năng lượng bức xạ chung của hỗn hợp sẽ nhỏ hơn năng lượng bức xạ của mỗi khí trong trường hợp nằm riêng biệt vì năng lượng của khí này phát ra sẽ bị khí kia hấp thu đi một phần
− Các khí mà phân tử gồm 1 hoặc 2 nguyên tử (trừ CO và HCl) có khả năng bức xạ và hấp thu rất bé nên thực tế có thể xem là trong suốt đối với bức xạ Ngược lại các khí 3 hoặc nhiều nguyên tử như CO2, H2O, SO2, có khả năng bức xạ và hấp thu tương đối lớn, ngoài ra khả nang bức xạ và hấp thu của khí nhiều nguyên tử còn tăng lên mạnh khi trong các khí đó có chứa các phần tử rất nhỏ ở thể rắn (tro, bụi) hoặc thể lỏng (giọt nước li ti) (VD: bức xạ ngọn lửa của các sản phNm cháy ở nhiệt độ cao)
Trong nhiệt kỹ thuật đối với khí 3 nguyên tử người ta quan tâm nhiều nhất đến khả năng bức xạ và hấp thu của khí CO2 và H2O vì nó là thành phần chính của sản phNm cháy Khí CO2 và hơi nước chỉ hấp thu và bức xạ năng lượng trong những giải quang phổ sau:
λ (µm)
CO2 2,62 ÷ 3,02
4 ÷ 4,8 12,5 ÷ 16,5
H2O 2,24 ÷ 3,27
4,8 ÷ 8,5
12 ÷ 25 Qua các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng khả năng bức xạ của khí CO2 và H2O phụ thuộc nhiệt độ không hoàn toàn tuân theo định luật Stefan – Baltzman như các vật rắn
mà có khác:
5 , 3 3
100 07 ,
= p l T
3 6
, 0 8 , 0 2
100 7 ,
= p l T
Công thức này tính toán khá phức tạp, để dễ dàng cho tính toán kỹ thuật người ta vẫn lấy định luật Stefan – Baltzman làm cơ sở:
4
0 4
100 100
=
K K
K
T C
T C
Với εk: độ đen của chất khí, phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất riêng phần và chiều dày lớp khí
Trang 10Hình 3.4: Độ đen của hơi nước
Đối với hơi nước, ảnh hưởng của phân áp suất p lớn hơn ảnh hưởng của chiều dày
l, do đó trị số εH2O tìm được trên đồ thị hình 3.4 cần nhân thêm với hệ số β để xét đến ảnh hưởng này, trị số β tìm theo đồ thị hình 3.5:
Trang 11Hình 3.5: Hệ số điều chỉnh β để xác định độ đen của hơi nước
