Bài giảng Truyền nhiệt: Chương 7 - ThS. Phan Thành Nhân

Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 7: Bức xạ nhiệt. Những nội dung chính trong chương này gồm có: Khái niệm cơ bản về bức xạ nhiệt, các định luật cơ bản về bức xa nhiệt, trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai tấm phẳng đặt song song, trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm các nội dung chi tiết.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM CHƯƠNG BỨC XẠ NHIỆT Khái niệm xạ nhiệt Cac Các định luật bả ban n ve bưc xạ xa nhiệt Trao đổi nhiệt xạ hai phẳng đặt song song Trao đổi nhiệt xạ hai vật bọc Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Khái niệm ệ xạạ nhiệt: ệ Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Khái niệm ệ xạạ nhiệt: ệ Một vật có nhiệt độ T  có nhiệt  phần nhiệt nang bien biến thành nang lượ lương ng song sóng điện tư từ  truyen truyền không gian  gặp vật thể khác  Hấp thụ  biến lại thành nhiệt nang Một vật luon phat phát nang lượ lương ng bưc xạ xa va nhận lượng xạ từ vật thể khác chiếu đến Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Trao đoi đổi nhiệt bưc xạ xa:: trình trao đổi nhiệt xảy vật có nhiệt độ khác đặt cách xa  Năng lượng xạ truyền không gian dạng sóng điện từ BẢNG PHAN BANG PHÂN LOAI LOẠI THEO BƯƠC BƯỚC SÓ SONG NG Dạng xạ Chiều dài bước sóng Tia vu vũ trụ tru 0,05.10-6 Tia gamma (0,5  1,0).10-6 Tia Rơnghen Tia tử ngoại Tia sáng g ïi Tia hồng ngoạ Sóng vô tuyến điện 10-6  20.10-3 20.10-3  0,4 0,4  0,8 ,  400  0,8 0,2mm  X km Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Dòng xạ, hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ hệ số xuyên qua: Tia tới Thành phần phản xạ Qo QA: phần hấp thụ biến thành nhiệt ; QR QR: phần phản xạ; Thàønh phầ Th h àn hấp thụ Q A QD Qo: dòng xạ chiếu lên bề mặt (W); Thành phần xuyên qua QD: mộät phan h xuyen â qua Qo  QA  QR  QD QA QR QD    A  R  D 1 Qo Qo Qo Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM QA QR QD    A  R  D 1 Qo Qo Qo A, R, D: hệ số hấp thu, phản xạ, xuyên qua; Biến đổi từ  1, phụ thuộc vào chất vật lý vật, nhiệt độ, chiều dài bước sóng A=1 vật đen tuyệt đối R=1 vậät trắéng tuyệät đố đ D=1 vật tuyệt đối V ät xáùm: D = vàø A + R = Vaä Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM  Khả xạ bán cầu E [W/m2] Là dòng xạ phát đơn vị diện tích dF, ứng với mộät đơn vịị thời ggian toàn bộä không ggian nửa bán cầu ứng với tất bước sóng  =   dQ E dF (W/m2) Năng lượng xạ Q (W): Q   E  dF (W) F Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM  Khả xạ đơn sắc E [W/m2] Là mật độ xạ bán cầu ứng với giải hẹp chiều ïp    +d)) dài bước sóng ((chỉ xét với dãi bước sóng hep dE E  d (W/m3) Bức xạ Bưc xa ban bán cầ cau u E (W/m2):  E   E   d ((W/m2) Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM  Khả xạ hiệu dụng Ehd Xét dòng xạ tới từ bên E2 chiếu lên bề mặt vật xám (A + R = 1) - Năng lượng xạ vật phát ra: A1*E2 = + E2 Vật (Ehd gọi khả xạ hiệu dụng vật) = E1 Ehd = E1 + (1-A1)E2 (W/m2) E1 + (1-A1)E2 - Năng lượng xạ mà vật trao đổi với môi trường xung quanh là: q = E1 – A1E2 = Ekq Ekq: khả xạkết Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân (W/m2) TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Các định luật xạạ nhiệt: ệ  Định luật Planck: Định luật thiế thiett lập mố moii quan hệ giữ giưaa khả kha nang bứ bưcc xạ xa đơn sac sắc cua vật đen tuyệt đối Eo = f(,T) E o C1  5  C ( T ) e 1 W m3 Với C1, C2 số Planck thứ thứ hai C1  0,3742.10 15 W.m C  1,4388.10  m.K  – chiều dài bước sóng, m T – nhiệ hi ät độ đ ä tuyệ t ät đ đốái củûa vaäät, K 10 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM  Định luật Stefan – Bolztmann: Định luật thiết lập mối quan hệ khả xạ bán cầu vật đen tuyệt đối phụ thuộc vào nhiệt độ - Khả xạ bán cầu vật đen tuyệt đối:  T  E o  Co    100  (W/m2) (W/ với Co = 5,67 67 W/m2.K K4 : hệ số xạ vật đen tuyệt đối - Đối với vật xám :  T   T  E  C   C o    100   100  (W/m2) với  = C/Co (0 <  < 1): den vật 12 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM  Định luật Kirchhoff: Định luật thiết lập mối quan hệ khả xạ  vật với hệ số hấp thụ A Vật đen To o=1 Vật xám Xét hai phẳng đặt song song với: T1 1 – Kích thước lớn so với khoảng caùch Eo (1 1).E (1- ) Eo E1 1.E Eo – Vật đen có nhiệt độ To, khả xạ bưc xa Eo – Vật xám lại có nhiệt độ T1, khả bưc nang xạ xa E1, hệ so số hap hấp thụ thu A1 13 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Nhiệt lượng trao đổi xạ tấm: q  E1  A 1E o Ở đieu Ơ điều kiện câ cann bằ bang ng nhiệt động (To = T1) q = neâ nen: n: E1  A 1E o  E1  Eo A1 Thay vật xám vật xám khác, tổng quát: E1 E En    E o  f T  An A1 A  T  C  E 100    A E0  T  C0    100  Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân A= 14 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Trao đổi nhiệt xạ g p phẳng đặt song g song: g  Hai phẳng đặt song song: Tấm 1: co Tam có nhiệt độ T1, hệ so số hap hấp thu A1 Tấm 2: có nhiệt độ T2, hệ số hấp thụ A2 Diện tích F1 = F2 = F N ê lượ Nang lươ ng trao t đ åi nhiệ đoi hi ät BX giưa iữ hai h i tam t la: l ø Q12 = Q1hd – Q2hd Vì hai có diện tích nên viết: q12 = E1hd – E2hd E1hd  E1  (1  A1 )E hd   E hd  E  (1  A )E1hd  15 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Tìm đượ đươcc E1hd va E2hd E1  (1  A1 )E  A1  A  A1A    E  (1  A )E1    A1  A  A1A  E1hd  E hd q12  A E1  A E A1  A  A1A Theo định luật Stefan – Boltzmann:  T  E  1C o    100   T2  E   2Co    100  Theo định luật Kirchhoff: A =  ; 16 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Nhiệt lượ lương ng trao đoi đổi giưa hai tam la  T1   T2   Co q12       1    100   100   1  Hoaëc W m2  T1   T2   Q12  q12 F  F.12 C o       100   100   Độ đen hệ: W 12  1  1 1  17 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM  T1   T2   Co q12       1    100   100   1  q 12  E o1  E o  1  1         1    2  Nhiệt trơ trở bưc xạ xa be bề mặt tam phang phẳng 1 1 R     2 Sơ đồ mạïng nhiệät trở xạï q 12  E o1  E o R 1  R  18 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM  Tấm phẳng đặt song song có bố trí màng chắn: Xét trường hợp phẳng song song đặt chắn xạ có độ đen c Màn chắn xạ: vật xám bo xam, bỏ qua nhiệt trơ trở dan dẫn nhiệt Sơ đồ mạng nhiệt trở xạ  T1   T2   C o      100 100       q12   1  1  1     2        1    c    2  q12  E 01  E 02 R 1  2R  c  R  19 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Nhiệt trở xạ:  1 R 1      1   1  R  c      c  R 2  1       2  Trường hợp n màng chắn có độ đen khác nhau:  T1 4  T2 4  Co     100 100       q12   1 n  1  1      2        1  i1  ci   2   T1   T2   C o       100   100   q12   1   n     1     1  1   i 1   ci  20 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Trao đổi nhiệt xạ hai vật bọc nhau: Ví dụ: trao đổi nhiệt buồng đốt, xạ vật thể đặt phòng, xạ thiết bị … Khao Khả o sat: sát: + Vật 1: diện tích F1, nhiệt độ T1, hệ số hấp thu A1, + Vậät 2: diệän tích F2, nhiệät độä T2, hệä số hấp thu A2, Vì F1  F2 : tính dòng xạ Q12 Đặc điểåm: Năng lượng xa vật phát toàn bộä rơi vậät 2,, lượng xạ phát từ vật có phần rơi lên vật 1, phần lại rơi len lên ban than thân no 21 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM - Goïi 21: số % lượng xạ vật rơi lên vật (hệ số chiếu xạ hệ số góc) Ta có lượng xạ trao đổi vật: Q12  Q1hd   21Q hd Trong đo Q1hd  Q1  1  A1  21Q hd Q hd     Q  1  A  Q1hd  1  A 1  21  Q hd  (1) Năng lượng xạ thân vật:  T   Q  E F1   C o   F1    100    T   Q  E F2   C o   F2   100   Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân (2) 22 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Giải hệ phương trình (1) va Giai (2) tìm đượ đươcc Q1hd , Q2hd   T1  Co  T2  Q12  F   F    1 21  100 100   1       21   1  1  2  4    Trong điều kiện cân nhiệt động (T1 = T2 = T) Q12 = 0: 4  T   T  F1    F   0 21   100   100   21 F1  F2 Heä số góc 21 túy mang tính chất hình học, không phụ thuộc chất vật lý vật 23 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Khi lượng xạ trao đổi hai vật: 4  C o F1  T1   T2   Q12         100   100   F1     1 1 F2    đặët 12   F1     1 1 F2     T1   T2   Q12  12 C o F1       100   100   Trường hợ Trương hơp p đặc biệt:  Khi F1