Hiện tượng khuếch tán nhiệt pptx

Hiện tượng khuếch tán nhiệt 1 HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN NHIỆT Biên soạn: Lê Quang Nguyên Khi các phần khác nhau trong một chất ở nhiệt độ khác nhau thì sẽ có hiện tượng truyền nhiệt từ nơi ở nhiệt cao tới nơi có nhiệt độ thấp hơn. Nhiệt được truyền theo ba cách khác nhau: khuếch tán nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt. Khuếch tán nhiệt là sự truyền nhiệt do chuyển động nhiệt của các phân tử vật chất. Khi chuyển động các phân tử va chạm lẫn nhau, năng lượng từ các phân tử chuyển động nhanh ở vùng nóng hơn được chuyển bớt cho các phân tử chuyển động chậm ở vùng lạnh hơn, tạo nên sự truyền nhiệt. Đó là cơ chế truyền nhiệt chính trong chất rắn. Trong chất khí và chất lỏng thì nhiệt chủ yếu được truyền do các luồng khí hay dòng chảy, còn gọi là đối lưu. Cuối cùng, các vật cũng có thể được sưởi ấm do sóng điện từ phát ra từ một nguồn nóng, gọi là bức xạ nhiệt. Khác với hai cơ chế trên, bức xạ nhiệt có thể truyền qua chân không chứ không đòi hỏi một môi trường truyền nhiệt nào cả. Trong bài này này chúng ta chỉ xét riêng hiện tượng khuếch tán nhiệt, mặc dù trên thực tế ít khi quan sát được khuếch tán nhiệt riêng lẻ, vì nó thường đi kèm với hiện tượng đối lưu. 1. ĐỊNH LUẬT FOURIER 1.1 MẬT ĐỘ DÒNG NHIỆT VÀ THÔNG LƯỢNG NHIỆT Vectơ mật độ dòng nhiệt j  có chiều hướng theo chiều truyền nhiệt và có độ lớn bằng lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích vuông góc với dòng nhiệt trong một đơn vị thời gian. Do đó, lượng nhiệt truyền qua một hình phẳng diện tích S vuông góc với dòng nhiệt trong một đơn vị thời gian, hay thông lượng nhiệt qua S, sẽ là: jS   (1.1.1) Nếu S không vuông góc với dòng hạt (hình 1.1.1) thì ta lập luận như sau: Thông lượng qua S = thông lượng qua S ’ = jS ’ = jScos  Vậy: Snj    (1.1.2) Lưu ý rằng thông lượng là một số đại số, thông lượng là dương nếu dòng nhiệt đi theo chiều dương của bề mặt (chiều của vectơ đơn vị pháp tuyến n  ), và âm trong trường hợp ngược lại. Nếu dòng nhiệt có mật độ dòng bất kỳ và bề mặt S cũng có hình dạng bất kỳ (hình 1.1.2) thì ta chia bề mặt ra làm nhiều phần nhỏ dS, mỗi phần nhỏ như vậy có thể coi như phẳng và mật độ dòng nhiệt tại đó cũng có thể coi là không đổi. Như vậy thông lượng nhiệt qua dS là: dSnjd    (1.1.3) Thông lượng nhiệt qua S là tổng các thông lượng qua các phần nhỏ dS trên mặt S:   SS dSnjd   (1.1.4) S ’ S n j  Hình 1.1.1 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Hiện tượng khuếch tán nhiệt 2 Trong trường hợp S là một mặt khép kín, người ta quy ước chọn n  hướng ra ngoài, như thế thông lượng ra khỏi mặt là dương, còn thông lượng vào mặt là âm. 1.2 ĐỊNH LUẬT FOURIER Mật độ dòng nhiệt tỷ lệ với gradient của nhiệt độ: TKj    (1.2.1) Dấu trừ trong hệ thức trên cho thấy dòng nhiệt luôn hướng về phía nhiệt độ thấp hơn. Hệ số K là một hằng số dương, gọi là độ dẫn nhiệt, có đơn vị là W.m -1 .K -1 . Bảng 1.2.1 giới thiệu cỡ độ lớn của độ dẫn nhiệt trong một số chất. 1.3 SỰ TƯƠNG TỰ GIỮA CÁC ĐỊNH LUẬT FOURIER, FICK VÀ OHM Nếu để ý một chút thì người đọc sẽ thấy các phần vừa rồi của bài giảng này rất giống với các phần đầu của bài giảng về hiện tượng khuếch tán. Sự thật là tôi chỉ thay đổi rất ít, chẳng hạn như thay mật độ dòng hạt bằng mật độ dòng nhiệt, hệ số khuếch tán bằng độ dẫn nhiệt, định luật Fick bằng định luật Fourier … Khi soạn thảo trên máy tính thì điều ấy thật đơn giản, tôi chỉ lấy nguyên bài cũ rồi thay đổi một số câu chữ. Làm như thế không phải vì tôi lười , mà vì về mặt bản chất vật lý thì các định luật chi phối hai hiện tượng khuếch tán và khuếch tán nhiệt rất giống nhau. Thật vậy, khi có một gradient mật độ thì sẽ có dòng khuếch tán có mật độ dòng tỷ lệ với gradient mật độ; tương tự như thế, khi có một gradient nhiệt độ thì sẽ có dòng nhiệt có mật độ dòng tỷ lệ với gradient nhiệt độ. Chúng ta còn có thể mở rộng sự tương tự ra tới định luật Ohm nữa: khi có một gradient điện thế thì sẽ có dòng điện có mật độ dòng tỷ lệ với gradient điện thế (xem hình 1.3.1). 2. PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT 2.1 SỰ BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG Xét một mặt kín S trong một môi trường có khuếch tán nhiệt (hình 2.1.1). Vì năng lượng được bảo toàn, nên nếu trong thời gian dt bên trong mặt S nội năng giảm đi dU, thì cũng phải có một lượng nhiệt tương ứng đi ra khỏi mặt S trong cùng thời gian ấy. Hay nếu tính trong một đơn vị thời gian, thì tốc độ giảm nội năng bên trong S phải bằng thông lượng nhiệt ra khỏi S. Như thế:   S dSnj dt dU   (2.1.1) Có dấu trừ trong hệ thức trên vì dU < 0, còn thông lượng ra khỏi mặt S lại là một số dương. Hệ thức trên cũng đúng trong trường hợp nội năng trong S tăng lên, tức là dU > 0, khi đó thông lượng nhiệt qua S sẽ âm, tương ứng với dòng nhiệt đi vào trong mặt S. Gọi V là thể tích giới hạn bởi mặt S, ta có: Bảng 1.2.1. Cỡ độ lớn của độ dẫn nhiệt K (W.m -1 .K -1 ) Không khí 0,006 – 0,18 Nước 0,1 – 1 Thuỷ tinh 1,2 Đồng 390 dU < 0 Hình 2.1.1. Nhiệt lượng đi ra bằng độ giảm nội năng bên trong mặt S. Nhiệt ra Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Hiện tượng khuếch tán nhiệt 3        VVV dV t T cdV t u udV dt d dt dU  (2.1.2) Trong đó  và c là khối lượng riêng và nhiệt dung riêng của môi trường đang xét. Mặt khác, theo định lý Ostrogradsky-Gauss, thông lượng nhiệt qua mặt kín S có thể biến đổi thành tích phân theo thể tích V của jdiv  :    S V dVjdSnj     (2.1.3) Thay (2.1.2) và (2.1.3) vào (2.1.1) rồi chuyển vế, ta thu được:            V dVj t T c 0    (2.1.4) Hệ thức trên đúng với một thể tích V bất kỳ, nên hàm dưới dấu tích phân phải bằng không tại mọi điểm: 0   j t T c    (2.1.5) Tương tự như phương trình (2.1.1), phương trìnhø (2.1.5) cũng mô tả sự bảo toàn năng lượng khi có khuếch tán nhiệt. Chỉ có điểm khác biệt là nó diễn tả sự bảo toàn năng lượng trong một thể ích nhỏ dV bao quanh một vị trí xác định, bởi vì j    chính là thông lượng nhiệt qua bề mặt bao quanh dV chia cho dV (thông lượng nhiệt trên một đơn vị thể tích). 2.2 PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT Thay biểu thức của mật độ dòng nhiệt từ định luật Fourier (1.2.1) vào phương trình bảo toàn năng lượng (2.1.5) ta thu được phương trình truyền nhiệt: 0).(    TK t T c    (2.2.1) Biết rằng: 2 2 2 2 2 2 . zyx           (2.2.2) Nên phương trình truyền nhiệt còn được viết dưới dạng: 0   TK t T c  (2.2.3) Phương trình truyền nhiệt là một phương trình đạo hàm riêng, nếu biết điều kiện ban đầu và điều kiện biên của một bài toán truyền nhiệt cụ thể ta có thể giải phương trình ấy để tìm nhiệt độ theo vị trí và thời gian 1 . Tuy nhiên, đó là một vấn đề vượt quá phạm vi của giáo trình này. Ở đây chúng ta chỉ xét các trường hợp truyền nhiệt theo một chiều. Ngoài ra, chúng ta sẽ xét trường hợp truyền nhiệt dừng, tức là khi nhiệt độ không thay đổi theo thời gian. 2.3 MỘT SỐ VÍ DỤ ÁP DỤNG 2.3.1 NHIỆT TRỞ Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Hiện tượng khuếch tán nhiệt 4 Xét một thanh hình trụ đồng nhất có chiều dài l, tiết diện S, độ dẫn nhiệt là K. Hai đầu thanh được giữ ở các nhiệt độ không đổi T 1 và T 2 (T 1 > T 2 ). Giả sử không có sự trao đổi nhiệt giữa thanh và môi trường chung quanh, và sự truyền nhiệt dọc theo chiều dài thanh là dừng. Hãy xác định sự thay đổi nhiệt độ dọc theo chiều dài thanh và thông lượng nhiệt qua thanh. Vì nhiệt chỉ truyền theo trục x nên phương trình truyền nhiệt có dạng: 0 2 2       x T K t T c  Ngoài ra ở trạng thái dừng thì 0 tT nên: 0 2 2    x T Tích phân hai lần phương trình trên và dùng các điều kiện về nhiệt độ ở hai đầu ống, ta được: 1 12 Tx l TT T    Theo định luật Fourier, mật độ dòng nhiệt là:   21 TT l K x T Kj     Thông lượng nhiệt qua thanh sẽ là:   21 TT l KS jS  NHIỆT TRỞ Trên đây chúng ta đã đề cập đến sự tương tự giữa định luật Ohm và định luật Fourier. Ở trong trường hợp riêng này cũng thế, nếu xét một đoạn dây điện thẳng có chiều dài l, tiết diện S, điện dẫn suất là  , hiệu điện thế ở hai đầu là (V 1 – V 2 ), thì cường độ dòng điện dừng qua dây có biểu thức xác định từ định luật Ohm:   21 VV l S I   Người ta định nghĩa điện trở của đoạn dây điện là: S l R   Tương tự như vậy người ta cũng định nghĩa nhiệt trở của một vật dẫn nhiệt có chiều dài l, tiết diện S, độ dẫn nhiệt K là: KS l R  2.3.2 SÓNG NHIỆT Coi lòng đất như một môi trường đồng nhất, bán vô hạn, có độ dẫn nhiệt K, khối lượng riêng  và nhiệt dung riêng c, nằm trong nửa không gian ứng với x > 0. Giả sử nhiệt độ ở mặt đất (mặt phẳng x = 0) thay đổi theo quy luật hình sin như sau:   tTtT s  cos 00  Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Hiện tượng khuếch tán nhiệt 5 1) Hãy xác định nhiệt độ trong lòng đất theo độ sâu x và thời gian t. 2) Biểu diễn lời giải trong câu 1) dưới dạng một “sóng nhiệt”. Tìm vận tốc truyền của sóng nhiệt ấy. 3) (a) Xét sự thay đổi nhiệt độ ngày đêm, với nhiệt độ trên mặt đất thay đổi từ 0  C ban đêm cho tới 16  C vào ban ngày. Bắt đầu từ độ sâu nào thì độ biến thiên nhiệt độ nhỏ hơn 1  C ? Tìm vận tốc truyền của sóng nhiệt, biết rằng 127 .10.6   smcKa  . (b) Câu hỏi tương tự như câu (a), xét sự thay đổi nhiệt độ hằng năm, với nhiệt độ trên mặt đất thay đổi từ –10  C cho đến 26  C. 1) Sau một thời gian thì nhiệt độ trong lòng đất bắt đầu biến đổi theo nhịp điệu hình sin của nhiệt độ trên mặt đất. Do đó chúng ta sẽ tìm nghiệm dưới dạng:     txTtxT ,Re, 0   Với:       tixftx  exp,  Thay  vào trong phương trình truyền nhiệt ta thu được phương trình xác định f: f a if K c i x f      2 2 Đặt  a x 2 0  (x 0 có thứ nguyên của chiều dài), ta có thể viết lại phương trình trên như sau: f x i x f 2 0 2 2 1             Nghiệm của phương trình vi phân này có dạng:                                    0000 expexpexpexp x x i x x b x x i x x af Các hằng số a và b có thể tìm được từ các điều kiện giới hạn. Trước hết, nhiệt độ phải hữu hạn ở những độ sâu rất lớn, do đó b = 0. Ngoài ra, nhiệt độ trên mặt đất là:     tTtTtaTtT s  coscos,0 000  Suy ra a =  0 . Vậy:                           00 0 expexp x x ti x x  Và nhiệt độ trong lòng đất có dạng:                     00 00 cosexp, x x t x x TtxT  Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Hiện tượng khuếch tán nhiệt 6 2) Nghiệm trên còn có thể viết dưới dạng:                   v x t x x TtxT  cosexp, 0 00 Với  axv 2 0  . Như vậy nhiệt độ trong lòng đất sẽ biến đổi như một “sóng nhiệt” lan truyền với vận tốc v. Sóng nhiệt này có biên độ tắt dần rất nhanh theo hàm mũ. Ở các độ sâu vào khoảng vài lần x 0 thì sóng nhiệt trở nên không đáng kể (xem đồ thị bên cạnh). 3) (a) Sự thay đổi nhiệt độ ngày đêm từ 0  C tới 16  C có thể coi như một biến đổi hình sin quanh giá trị trung bình 8  C với biên độ cũng là 8  C, do đó ta có: KT 2818273 0  K8 0   Tần số góc của sự thay đổi nhiệt độ ngày đêm là: 15 10.27,7 3600 24 22     s T    Suy ra: cm a x 85,12 10.27,7 10.622 5 7 0       demngaycm scmxv /71,80 .10.34,910.27,785,12 145 0     Biên độ của sóng nhiệt bằng 1 K ở một độ sâu x là:     cmxx 72,268ln85,128ln 0  (b) Tương tự như trong câu (a) ta có các tham số của sóng nhiệt tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ hàng năm: demngaycmscmv mx s K KT /22,4.10.88,4 45,2 10.99,1 18 291 15 0 17 0 0          Biên độ sóng nhiệt bằng 1 K ở độ sâu x = 7,1 m. Như vậy, ở độ sâu bằng 4,2 m thì sự biến thiên nhiệt độ đến trễ hơn so với mặt đất 100 ngày đêm, đó là chưa kể biên độ biến thiên cũng giảm đi khoảng 5 lần. Đó là lý do vì sao các tầng ngầm thường rất mát mẻ vào mùa hè và ấm áp vào mùa đông. 3. TÍNH ĐỘ DẪN NHIỆT Trong phần này, để cho đơn giản chúng ta chỉ xét sự truyền nhiệt dừng trong một chất khí lý tưởng. Chúng ta sẽ tính mật độ dòng nhiệt theo trục x (giả sử nhiệt truyền theo chiều dương của trục x). Gọi S là một hình phẳng vuông góc với trục x (hình 3.1), Q 1 , Q 2 là lượng nhiệt đi qua một đơn vị diện tích của S trong một đơn vị thời gian theo chiều dương và theo chiều âm, ta có mật độ dòng nhiệt qua S là: 221121 UNUNQQj x  (3.3.1) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Hiện tượng khuếch tán nhiệt 7 Trong đó N 1 , N 2 là số phân tử khí đi qua một đơn vị diện tích của S trong một đơn vị thời gian, còn U 1 , U 2 là động năng trung bình của một phân tử khí ở khoảng cách l ở phía trái và phải của S (l là quãng đường tự do trung bình, tại đó các phân tử va chạm lần chót trước khi đi qua S). Trên thực tế, các hạt có vận tốc tuân theo một phân bố xác định (như phân bố Maxwell chẳng hạn), nhưng ở đây ta coi như chúng có cùng một vận tốc bằng vận tốc trung bình. Ngoài ra, vì chuyển động nhiệt là hỗn loạn, nên có 1/3 số hạt đi theo mỗi phương x, y và z. Trong số các hạt đi theo phương x, lại có một nửa đi theo chiều dương và một nửa đi theo chiều âm. Vì vậy: vnNN 6 1 21  (3.3.2) Với n là mật độ phân tử khí. Ta có:   21 6 1 UUvnj x  (3.3.3) Động năng trung bình của một phân tử khí là (i/2)kT, trong đó i là số bậc tự do của phân tử, còn k là hằng số Boltzmann. Mặt khác, nhiệt dung mol đẳng tích của khí lý tưởng là CV = (i/2)kNA, với NA là số Avogadro. Do đó: T N C kT i U A V  2 (3.3.4) Hệ thức (3.3.3) sẽ có dạng:   21 6 1 TT N C vnj A V x  (3.3.5) Nếu quãng đường tự do trung bình đủ nhỏ ta có gần đúng: x T lTT    2 21 (3.3.6) Vậy: x T N C lvnj A V x    3 1 (3.3.7) So sánh hệ thức trên với định luật Fourier ta có biểu thức của độ dẫn nhiệt: A V N C lvnK 3 1  (3.3.8) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thermodynamique, 1 re année MPSI-PCSI-PTSI, Jean- Marie Brebec et al, Hachette Supérieur. [2] Thermodynamique, 2 de année PC-PC * , PSI-PSI * , Jean- Marie Brebec et al, Hachette Supérieur. [3] Molecular Physics, A. K. Kikoin and I. K. Kikoin, translated from Russian by G. Leib, Mir Publishers (Moscow). [4] Cơ sở vật lý tập 3 (Nhiệt học), Nhà xuất bản Giáo Dục (1988). Dịch từ Fundamentals of Physics, David Halliday et al, John Wiley & Sons, Inc (New York). Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. . Hiện tượng khuếch tán nhiệt 1 HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN NHIỆT Biên soạn: Lê Quang Nguyên Khi các phần khác nhau trong một chất ở nhiệt độ khác nhau thì sẽ có hiện tượng truyền nhiệt từ. nơi ở nhiệt cao tới nơi có nhiệt độ thấp hơn. Nhiệt được truyền theo ba cách khác nhau: khuếch tán nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt. Khuếch tán nhiệt là sự truyền nhiệt do chuyển động nhiệt. khuếch tán nhiệt, mặc dù trên thực tế ít khi quan sát được khuếch tán nhiệt riêng lẻ, vì nó thường đi kèm với hiện tượng đối lưu. 1. ĐỊNH LUẬT FOURIER 1.1 MẬT ĐỘ DÒNG NHIỆT VÀ THÔNG LƯỢNG NHIỆT