Bức xạ nhiệt truyền nhiệt ĐH BK TPHCM

CHƯƠNG BỨC XẠ NHIỆT 4.1 Khái niệm -Vật có nhiệt độ lớn K có biến đổi nội thành lượng sóng điện từ Các sóng truyền không gian với tốc độ ánh sáng có chiều dài bước sóng λ - Kỹ thuật nhiệt quan tâm đến tia có hiệu ứng nhiệt cao nhiệt độ thường → tia có bước sóng 0,4 ~40µm → tia nhiệt (thermal radiation) - Quá trình phát sinh, truyền hấp thu tia nhiệt gọi xạ nhiệt 4.2 Các định nghĩa xạ nhiệt - Dòng xạ toàn phần Q [W]: lượng phát bề mặt F vật đơn vị thời gian toàn không gian bán cầu ứng với bước sóng từ đến ∞ - Công suất xạ bán cầu vật E [W/m ]: dòng xạ toàn phần phát đơn vị diện tích bề mặt dQ E= dF [W / m ] ⇒ Q = ∫ EdF F dQ: dòng xạ toàn phần phát bề mặt phân tố dF - Dòng xạ đơn sắc Qλ [W]: dòng xạ xét với dãy hẹp khoảng bước sóng từ λ đến λ+dλ - Công suất xạ đơn sắc(cường độ xạ đơn sắc) Eλ: công suất xạ ứng với dãy hẹp chiều dài bước sóng dE Eλ = dλ [W / m ] hay [W / m µm] 4.2 Các định nghĩa xạ nhiệt - Bức xạ thân vật: Bức xạ vật phát sinh thay đổi trạng thái lượng vật Trạng thái lượng vật phụ thuộc vào chất vật lý nhiệt độ vật - Dòng lượng xạ bên chiếu lên vật Q o vật hấp thu phần: QA để biến thành nhiệt, phần bị vật phản xạ lại: QR, phần lại xuyên qua vật: QD Q0 = QA + QR + QD hay QA QR QD + + = A+ R + D =1 Q0 Q0 Q0 A: Độ hấp thu (Absorptivity); R: Độ phản xạ (reflectivity); D: Độ xuyên thấu (transmissivity) - Vật đen tuyệt đối: A = 1, D = 0, R = 0; - Vật trắng tuyệt đối: A = 0, D = 0, R = 1; - Vật suốt tuyệt đối : A = 0, D = 1, R = 0; Thực tế ba loại vật đặc trưng - Không khí khô, vật suốt tuyệt tia nhiệt, có mặt nước khí làm không khí thành vật nửa suốt (semitransparent) - Chất rắn chất lỏng thực tế không suốt với tia nhiệt (nontransparent, athermanous D = 0) - Thạch anh tùy bước sóng mà chất nửa suốt (semitransparent) hay không suốt (athermanous) λ > 4µ trở thành chất suốt ánh sáng thấy tia tử ngoại có λ < 4µ - Muối mỏ (NaCl) trái lại vật suốt tia nhiệt vật không suốt tia tử ngoại - Kính cửa sổ suốt ánh sáng thấy không suốt tia nhiệt xạ tử ngoại - Sự hấp thụ phản xạ tia nhiệt phụ thuộc nhiều vào trạng thái bề mặt vật không màu sắc Độ phản xạ bề mặt nhẵn bóng gấp nhiều lần bề mặt nhám màu Vật trắng (đồ trắng, tủ lạnh trắng, vật liệu cách nhiệt) phản xạ ánh sáng thấy tốt khả hấp thụ tia nhiệt không thấy cao đồ đen, sơn đen… Độ hấp thụ tia nhiệt tăng nhờ lớp phủ bề mặt màu sẫm, đỏ hay quét dầu đen 4.2 Các định nghĩa xạ nhiệt 4.2 Các định nghĩa xạ nhiệt 4.3 Các định luật Bức xạ nhiệt , Công suất xạ (radiating power) Công suất xạ vật (năng suất xạ riêng) lượng vật phát đơn vị diện tích đơn vị thời gian: Q E= F (kcal /m2.h, W/m2 ) Công suất xạ hiệu (effective radiation) E ef = E1 + (1 − A1 )E , (W/m2 ) ENếu: ≡ E 2ef (của vật 2) ta có: E lef = E1 + (1 − A1 )E 2ef 4.3 Các định luật Bức xạ nhiệt 4.3.1 Định luật Planck Công suất xạ vật E tổng lượng xạ đơn vị thời gian tất sóng điện từ có λ = đến λ = ∞ E λ = dE /dλ biến thiên công suất xạ E vật bước sóng tia xạ thay đổi từ λ đến λ + dλ 2 Eλ : cường độ xạ (spectral intensity hay radiation intensity) kcal/.m h; W/m 4.3 Các định luật Bức xạ nhiệt 4.3.1 Định luật Planck Planck tìm công thức lý thuyết xác định công suất xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối E oλ (chỉ số biểu thị vật đen tuyệt đối) E0 λ C1λ−5 = C λT e −1 C1=0,374.10 -15 [W/m ] C2=1,4388.10 C1, C2: số Planck -2 [m.K] λ : chiều dài bước sóng [m] T : Nhiệt độ tuyệt đối vật [K] Có giá trị λm mà đó, Eoλ đạt cực đại xác định theo định luật Wien λmT = 2,9 = const λm : chiều dài bước sóng [mm] 4.3 Các định luật Bức xạ nhiệt 4.3.2 Định luật Stefan-Boltzmann Dùng để xác định công suất xạ toàn phần vật đen tuyệt đối ∞ ∞ C1λ−5 E = ∫ E0 λ d λ = ∫ C λ T dλ = σ oT e −1 0 σo: số , phụ thuộc vào đơn vị đo lường Trong kỹ thuật, ta sử dụng công thức sau:  T  Eo = C o   100   4 Với Co = 5,67 [W/m K ] : hệ số xạ vật đen tuyệt đối [W / m ] Đối với vật thực (vật xám)  T  ⇒ε = E = C E = C  Eo C o  100   T  ⇒ E = ε Co    100  : độ đen vật, giá trị khoảng < ε < [W / m ] 4.3 Các định luật Bức xạ nhiệt 4.3.3 Định luật Kirchhoff Thiết lập quan hệ khả xạ vật hệ số hấp thu A - Ban đầu, vật xám phát xạ E, vật đen hấp thụ hết (Ao=1) - Sau vật đen phát xạ Eo, vật xám phản xạ phần (1-A)Eo vật đen vật đen hấp thụ hết Vậy, vật xám phát xạ lượng lượng là: EΣ = q = E-EoA Khi T = To, hệ thống cân nhiệt động q=0 → E=EoA hay Eo=E/A Hệ có nhiều vật: Eo E1 E2 En Eo = = = = = = f (T ) Ao A1 A2 An Mặt khác, ta có E = εEo → ε = A Áp dụng định luật Stefan-Boltzmann C1 C2 C1 C2 Co = = = = = = ε1 ε A1 A2 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn Bức xạ nhiệt vật rắn đặt môi trường suốt 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn CHƯƠNG BỨC XẠ NHIỆT ... A1 A2 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn Bức xạ nhiệt vật rắn đặt môi trường suốt 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật... 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn 4.4 Bức xạ nhiệt vật rắn CHƯƠNG BỨC XẠ NHIỆT ... nhiệt tăng nhờ lớp phủ bề mặt màu sẫm, đỏ hay quét dầu đen 4.2 Các định nghĩa xạ nhiệt 4.2 Các định nghĩa xạ nhiệt 4.3 Các định luật Bức xạ nhiệt , Công suất xạ (radiating power) Công suất xạ