Bài giảng nhiệt động kỹ thuật chương 6 và 7

Định luật Kirchhoff- Biến đổi va rút gọn: - Thay vật đục 1 bằng vật đục 2 có E2, A2, T2 và khi T2=T0: - Biểu thức tổng quát : Phát biểu định luật Kirchhoff: Tỷ số giữa năng suất bức xạ

Trang 1

BỨC XẠ NHIỆT

Trang 2

1 Định nghĩa TĐNBX

Quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ.

 Đặc điểm

- Mọi vật có T > 00K  có khả năng bức xạ năng lượng, biến

đổi nội năng do dao động điện từ

- Các sóng điện từ có cùng bản chất và chỉ khác nhau về

chiều dài bước sóng

 Ví dụ:

- Các tia vũ trụ và tia gama: m

Trang 3

1 Định nghĩa TĐNBX

- Các tia hồng ngoại và ánh sáng trắng có bước sóng

có hiệu ứng nhiệt cao còn gọi là các tia nhiệt.

- Bức xạ nhiệt: Quá trình truyền các tia nhiệt trong không

gian

- Hấp thụ bức xạ: Quá trình hấp thụ một phần hay toàn bộ

tia nhiệt để biến thành nhiệt năng

- Cách trao đổi nhiệt:

Nhiệt năng  Năng lượng bức xạ  Nhiệt năng

- Vật ở trạng thái cân bằng sẽ có năng lượng bức xạ bằng

Trang 4

2 Vật đen tuyệt đối, trắng tuyệt đối, trong tuyệt đối

Giả sử:

Có vật như hình vẽ:

Dòng bức xạ Q đập tới vật sẽ sinh ra 3 phần:

+ Phần bị phản xạ QR,+ Phần được vật hấp thụ QA+ Phần xuyên qua vật QD.Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

Trang 5

- Viết lại biểu thức bảo toàn năng lượng:

Trang 6

- Biểu thức dạng các hệ số: A + R + D = 1

+ Nếu A = 1 (R và D = 0): Vật được gọi là đen tuyệt đối - Vật

có khả năng hấp thụ toàn bộ năng lượng đập tới nó

+ Nếu R = 1 (A và D = 0): Vật được gọi là trắng tuyệt đối - vật

có khả năng phản xạ lại toàn bộ năng lượng đập tới nó

+ Nếu D = 1 (A và R = 0): Vật được gọi là trong suốt tuyệt đối

- vật có khả năng cho toàn bộ năng lượng đi qua

+ Các khí có số nguyên tử trong phân tử ≤ 2 có thể xem là vật

trong suốt tuyệt đối với tia nhiệt, D = 1

I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Trang 7

+ Vật đục: Không cho các tia nhiệt xuyên qua Các vật rắn và

chất lỏng có thể coi D = 0 Khi đó A + R = 1 nghĩa là vật hấp thụ tốt thì phản xạ tồi và ngược lại

+ Vật xám: Là trường hợp đặc biệt của vật đục trong đó khả

năng hấp thụ tốt hơn khả năng phản xạ

Hoặc: Vật mà có đường cong năng suất bức xạ đơn sắc E(λ) (phụ thuộc vào nhiệt độ và bước sóng) có dạng giống như của vật đen tuyệt đối, tức là:

+ Thực nghiệm cho thấy phần lớn các vật liệu dùng trong kỹ

,0

E

const E

Trang 8

3 Dòng bức xạ, năng suất BX, năng suất BX riêng,

năng suất BX hiệu dụng3.1 Dòng bức xạ

- Tổng năng lượng bức xạ từ bề mặt có diện tích F của vật

theo mọi phương của không gian bán cầu và ở mọi bước sóng ( = 0 tới ) trong một đơn vị thời gian

Trang 9

năng suất BX hiệu dụng3.2 Năng suất bức xạ (khả năng bức xạ)

- Dòng bức xạ toàn phần ứng với một đơn vị diện tích của bề

mặt bức xạ

- Ký hiệu là: E (W/m2);

+ Với bức xạ đơn sắc: Năng suất bức xạ đơn sắc.

(W/m3)+ Nếu tại mọi điểm trên bề mặt, năng suất bức xạ có giátrị không đổi:

hay Q = EF

3.3 Năng suất bức xạ riêng

Năng suất bức xạ của bản thân vật

d Q E

d F



dEE

d

 



Q E

F



Trang 10

năng suất BX hiệu dụng 3.4 Năng suất bức xạ hiệu dụng

 Phần còn lại vật sẽ phản xạ trở lại : R.Et = (1-A).Et

Trang 11

năng suất BX hiệu dụng3.4 Năng suất bức xạ hiệu dụng (tiếp)

- Thực tế vật sẽ phát đi năng

suất bức xạ hiệu dụng Ehd :

Năng suất bức xạ hiệu dụng: Tổng của năng suất bức xạ

riêng và năng suất bức xạ phản xạ

- Tương tự, dòng bức xạ hiệu dụng được xác định như sau:

Trang 13

- Giá trị  được xác định bằng thực nghiệm Độ đen phụ thuộc

vào nhiệt độ và trạng thái bề mặt ,  = 0  1

- Viết lại định luật Stefan-Boltmann cho vật xám :

E 100 C

ε = = =

C 100

Trang 14

Giả sử nhiệt độ 2 vật như nhau T0 = T1: Ehd1 = Ehd0

II.CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ

Trang 15

4 Định luật Kirchhoff

- Biến đổi va rút gọn:

- Thay vật đục 1 bằng vật đục 2 có E2, A2, T2 và khi T2=T0:

- Biểu thức tổng quát :

Phát biểu định luật Kirchhoff:

Tỷ số giữa năng suất bức xạ và hệ số hấp thụ của các vật đục ở nhiệt độ như nhau và bằng nhiệt độ của vật đen tuyệt đối thì bằng nhau và bằng năng suất bức xạcủa vật đen tuyệt đối

1

0 1

E

= E A

2

0 2

E

= E A

Trang 16

 

Trang 17

Lượng nhiệt trao đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

+ Bản chất vật lý của các vật,+ Hình dáng, kích thước và trạng thái bề mặt vật

+ Nhiệt độ,+ Vị trí tương đối giữa các vật

+ Tính chất của môi trường giữa các vật

Xem xét trường hợp vật đặt trong môi trường trong suốt.

III TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ GIỮA CÁC VẬT ĐẶT TRONG

MÔI TRƯỜNG TRONG SUỐT



Trang 18

1 Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vách phẳng, rộng

vô hạn đặt song song1.1 Khi không có màn chắn giữa hai vật

- Giả thiết: Hai vật đục (2 vách)

+ Vách 1 có: T1, A1, 1

+ Vách 2 có: T2, A2, 2

T1 > T2 và F1 = F2 = F

Ehd2

Trang 19

- Lượng nhiệt trao đổi:

Trang 20

Thay vào PT (*):

4 1

Trang 21

Trang 22

vô hạn đặt song song1.1 Khi có màn chắn giữa hai vật

- Giả thiết thêm:

Giữa 2 bề mặt 1 và 2 đặt thêm một màn chắn có độ đen m,nhiệt độ màn Tm chưa biết, T1>T2

Quá trình trao đổi nhiệt ổn định & một chiều: q12 = q1m = q2m

Trang 23

- Lượng nhiệt trao đổi:

+ Trong trường hợp có n màn chắn có độ đen như nhau :

Trang 24

- Lượng nhiệt trao đổi:

Nhận thấy:

Càng có nhiều màn chắn, nhiệt lượng trao đổi càng giảm.Với giả thiết: 1 = 2 = m, suy ra:

Như vậy, lượng nhiệt trao đổi giữa hai bề mặt 1 và 2 khi

đặt n màn chắn sẽ giảm đi (n+1) lần so với khi không đặt màn chắn

 

12

12 m

q q





Trang 25

2.Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau

Giả thiết: Hai vật đục bọc nhau:

+ Vật 1 lồi, có: F1, 1, A1, T1+ Vật 2 lõm, có: F2, 2, A2, T2

1

T1, 1

2 T2 , 2

21.Qhd2(1-21).Qhd2

Trang 26

2 Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau

- Tỷ số giữa dòng bức xạ của vật 2 phát đi đập tới vật 1 (Q21)

so với toàn bộ dòng bức xạ của vật 2 phát đi (Q2) gọi là

hệ số góc bức xạ của vật 2 tới vật 1

- Dòng bức xạ hiệu dụng của vật 1 lên vật 2:

- Dòng bức xạ hiệu dụng của vật 2 lên vật 1:

- Phần còn lại (1 – φ21) Qhd2 lại đập ngay vào bản thân vật 2

21 21

2

QQ

 

Trang 27

- Lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt 1 và 2:

(*)

Với

và

4 2

T

100 T

Trang 28

+ Rút ra PT:

+ Hệ số góc φ21 (còn gọi là hệ số hình dạng) được xác định

từ điều kiện cân bằng T1 = T2 Khi đó Q12 = 0, từ (*) rút ra:

+ Thay vào PT (*):

Trang 29

Đặt ; qd : độ đen quy dẫn của hệ

+ PT cuối cùng:

+ Trường hợp đặc biệt: Nếu F2 lớn hơn F1 rất nhiều nên:

qd  1:

Trang 30

Công thức (**) và (***) chỉ sử dụng khi bề mặt vật 1 lồi

hoặc phẳng, không được lõm và vật 2 phải lõm.

Có thể dùng công thức trên cả khi vật lồi 1 và vật lõm 2

tạo nên một không gian kín

1 2

Trang 31

I KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Trong thực tế, ba dạng trao đổi nhiệt gồm: Dẫn nhiệt, đối lưu,

bức xạ thường xảy ra đồng thời và có ảnh hưởng lẫnnhau Khi xảy ra đồng thời các dạng trao đổi nhiệt cơ bảntrên se có trao đổi nhiệt hỗn hợp (hay phức tạp)

Ví dụ:

Quá trình dẫn nhiệt của vật liệu xốp luôn kèm theo quá trìnhtrao đổi nhiệt đối lưu và bức xạ trong các lỗ rỗng…

Trong trường hợp này, ta có thể chọn một dạng trao đổi nhiệt

cơ bản để tính toán còn ảnh hưởng của các dạng trao đổinhiệt khác có thể xem xét bằng các hệ số hiệu chỉnh

Trang 32

1 Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp

Giả sử:

+ Vách phẳng một lớp, có  = const,+ Chiều dầy  << chiều rộng

+ Nhiệt độ trong vách chỉ thay

đổi theo trục x

+ Mặt bên trái có nhiệt độ môi trường tf1 và α1+ Mặt bên phải có nhiệt độ môi trường tf2 và α2+ Diện tích hai mặt là như nhau F = F1 = F2

Nhiệt độ hai mặt vách chưa biết ký hiệu là tw1 và tw2

II TRUYỀN NHIỆT HỖN HỢP QUA VÁCH PHẲNG

t

x

=const

 0

Trang 33

Nhận thấy:

Trong trường hợp ổn định nhiệt, nhiệt truyền từ môi trường

nóng tới mặt trái của vách (bằng phương thức đối lưu) bằng lượng nhiệt truyền qua vách (bằng dẫn nhiệt) vàbằng lượng nhiệt truyền từ bề mặt phải của vách tới môitrường lạnh (bằng đối lưu)

Trang 34

Trang 35

Đại lượng nghịch đảo của hệ số truyền nhiệt gọi là nhiệttrở truyền nhiệt:

Khi đó xác định các nhiệt độ trên bề mặt vách:

Trang 36

2 Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp

Giả sử:

+ Vách phẳng ngăn cách giữa hai môi trường là vách

phẳng nhiều lớp,+ Chẳng hạn có n lớp có hệ số dẫn nhiệt tương ứng là:

λ 1 , λ 2 , λ 3

+ Có chiều dầy tương ứng là: δ 1 , δ 2 , δ 3 …

→ Chứng minh tương tự, ta có:

q = k(tf1 – tf2)Trong đó k là hệ số truyền nhiệt của vách phẳng nhiều lớp:

Trang 37

1 Vách trụ một lớp

Giả sử:

- Vách trụ một lớp chiều dài l, đường

kính trong là d1, đường kính ngoài là d2

- Chiều dài >> chiều dày rất nhiều để

nhiệt độ trong vách chỉ thay đổi theo

Trang 38

+ Dòng nhiệt ứng với một đơn vị chiều dài:

III TRUYỀN NHIỆT HỖN HỢP QUA VÁCH TRỤ

Trang 39

Ở chế độ nhiệt ổn định, mật độ dòng nhiệt truyền từ môi trường

nóng tới vách bên trong (bằng đối lưu) bằng dòng nhiệttruyền qua vách (bằng dẫn nhiệt) và bằng dòng nhiệttruyền từ mặt ngoài của vách tới môi trường lạnh (bằngđối lưu)

Trang 41

Nhiệt trở truyền nhiệt của vách trụ:

Nhiệt độ trên bề mặt vách là:

2 l

Trang 42

2 Vách trụ nhiều lớp

Giả sử:

- Vách trụ nhiều lớp (n lớp) với các đường kính: d 1 , d 2 , d 3 …d n+1 ,

- Vật liệu khác nhau có hệ số dẫn nhiệt tương ứng: λ 1 , λ 2 … λ n

Trang 43

2 Vách trụ nhiều lớp

Nhiệt trở của vách trụ nhiều lớp sẽ bằng:

Nhiệt độ của bề mặt vách trụ tiếp xúc với các môi trường

có thể xác định:

n

i 1 l

Định dạng
Số trang	43
Dung lượng	621,1 KB