Các khái niệm và định nghĩa

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT

2.3. Trao đổi nhiệt bức xạ

2.3.1. Các khái niệm và định nghĩa

Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ.

Tia nhiệt là tia bức xạ được các vật hấp thụ và biến thành nhiệt. Quá trình phát sinh và truyền những tia nhiệt được gọi là quá trình bức xạ nhiệt.

Tia nhiệt gồm:

- Ánh sáng trông thấy ( = 0,4  0,8 m) - Hồng ngoại ( = 0,8  400 m).

* Đặc điểm của quá trình bức xạ nhiệt là luôn gắn liền với việc chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Khi nhiệt năng của vật biến thành năng lượng của các dao động điện từ truyền đi trong không gian với vận tốc ánh sáng, khi gặp các vật khác thì một phần hoặc toàn bộ năng lượng đó bị hấp thụ và biến thành nhiệt năng. Năng lượng 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 các vật luôn đồng thời phát ra và hấp thụ năng lượng bức xạ từ các vật khác chiếu đến.

* Nếu hệ gồm các vật có nhiệt độ như nhau thì hệ ấy ở trạng thái cân bằng nhiệt động, trong trường hợp này các vật của hệ đều bức xạ năng lượng cho nhau và đồng thời cũng hấp thụ năng lượng bức xạ của nhau, nhưng năng lượng bức xạ bằng năng lượng hấp thu.

* Cường độ trao đổi nhiệt bức xạ phụ thuộc vào:

- Độ chênh nhiệt độ giữa các vật - Nhiệt độ tuyệt đối của các vật.

* Trao đổi nhiệt bức xạ giữa các vật còn có thể xảy ra trong chân không.

Hình 1.35: Bức xạ nhiệt

a) Các đại lượng đặc trưng của trao đổi nhiệt bức xạ:

Trong các trường chung dòng năng lượng bức xạ từ bên ngoài chiếu đến vật được khảo sát là Q, nó sẽ bị vật hấp thụ một phần QA để biến thành nhiệt, một phần sẽ bị phản xạ lại là QR, còn một phần xuyên qua vật là QD.

Ta có:

Trong đó :

Là hệ số hấp thụ

Là hệ số phản xạ của vật

Là hệ số xuyên qua của vật.

Các hệ số A, R, D không có thứ nguyên và biến đổi từ 0 đến 1, trị số của chúng phụ thuộc vào bản chất vật lý của vật, nhiệt độ và chiều dài bước sóng mà vật đó phát đi.

- Nếu A = 1 (D = R = 0) thì vật có khả năng hấp thụ toàn bộ năng lượng bức xạ chiếu tới nó và được gọi là vật đen tuyệt đối.

- Nếu R = 1 (D = A = 0) thì vật sẽ phản xạ toàn bộ năng lượng bức xạ tới gọi là vật trắng tuyệt đối (vật gương).

- Nếu D = 0 (A = R = 0) vật sẽ cho xuyên qua toàn bộ năng lượng bức xạ tới và được gọi là vật trong suốt tuyệt đối.

Trong thực tế không có vật đen tuyệt đối, vật gương, vật trong suốt tuyệt đối. Đối với vật rắn thường gặp trong kỹ thuật có thể coi như D = 0, nó được gọi là vật đục.

- Dòng bức xạ: là tổng năng lượng bức xạ phát đi từ diện tích F của vật

theo mọi hướng của không gian bán cầu trong một đơn vị thời gian ứng với toàn

bộ chiều dài bước sóng ( = 0  ). Ký hiệu Q, đơn vị W.

- Dòng bức xạ đơn sắc: Q (từ  đến  + d ).

- Năng suất bức xạ: là dòng bức xạ ứng với một đơn vị diện tích bề mặt.

[1-98]

Trong đó: dQ – dòng bức xạ toàn phần phát ra từ bề mặt phân tố dF.

- Cường độ bức xạ: là năng suất bức xạ ứng với một khoảng hẹp (đơn vị)

của chiều dài bước sóng.

W/m3

d I dE

   [1-99]

- Năng suất bức xạ riêng: là năng suất bức xạ của bản thân vật.

1

R 1



















D R A

Q Q Q Q Q Q

Q Q Q Q

D A

D R A

Q A QA

Q R  QR

Q DQD

W /m2

dF E dQ

Q

QR

QD

QA

Hình 1.36: Sơ đồ phân bố các dòng bức xạ

Et

(1-A)Et

E Ehd = E + (1-A)Et T, A

EA = AEt

- Năng suất bức xạ hiệu dụng:

Giả sử một vật đục, bản thân nó phát ra một năng lượng bức xạ gọi là E1; năng lượng bức xạ từ các vật xung quanh chiếu lên nó là Et , năng lượng này bị vật hấp thu một phần A1Et phần còn lại là (1-A1)Et bị phản hồi trở lại.

[1-100]

Hình 1.37: Sơ đồ nguyên lý các thành phần bức xạ

b) Các định luật cơ bản của bức xạ nhiệt:

* Định luật Planck: quan hệ giữa cường độ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và chiều dài bước sóng.

[1-101]

C1 = 0,374.10-15 [Wm2]

C2 = 1,4388.10-12 [mK]

: chiều dài bước sóng (m)

T: nhiệt độ tuyệt đối của vật (K) Công thức Planck có thể được biểu diễn trên đồ thị như hình trên.

Đồ thị E0 (,T) cho thấy E0tăng rất nhanh theo T và chỉ có giá trị đáng kể trong miền   (0.8  10).10-6 m.

Nhiệt độ càng tăng thì giá trị cực đại m của quang phổ càng dịch về phía bước sóng ngắn, quan hệ giữa T và m được xác định theo định luật Wien:

m T = 2.9 (mm.K)

Hình 1.39: Đồ thị biểu diễn định luật Wien

1 AE W/m2

E Ehd    t

1

2

5 1 0



 

T C

e I C







Hình 1.38:Đồ thị định luật

Planck

* Định luật Stefan - Boltzman:

Năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối lũy thừa 4.

[1-102]

[1-103]

0 = 5,67.10-8 [W/m2K4] là hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối.

C0 = 5,67 [W/m2K4] là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối + Định luật Stefan - Boltzmann với vật xám:

[1-104]

C - hệ số bức xạ của vật xám

[1-105]

* Định luật Kirchkoff:

Các vật đục (D = 0; A + R = 1) có cùng nhiệt độ thì tỉ số giữa năng suất bức xạ và hệ số hấp thụ là như nhau và bằng năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ.

Hay có thể phát biểu như sau:

Trong điều kiện cân bằng nhiệt động, tỉ số giữa khả năng bức xạ và hệ số hấp thu của vật xám đều bằng nhau và bằng khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối E0

C A C C T

C T

E

E   



 







 





 

0 4 0

4

0

100

100 [1-106]

 2

4 0

4 0 0

0

5 1 0

0 0

100 W/m 1

2



 



 







  

C T T E

d e

d C I E

T C



 







 2

4

100 W/m



 



  T C E

0 4

0

0 0

0 0

0 0

100T ; C C C

E

E d

I d

I d

I E















  



 



 



 









  

A A E

E A E E A E













0 

0 2

2 1

1 ...