Phần 2: Các quá trình truyền nhiệt: Nhiệt bức xạ docx

1
Phần 2
Các quá trình truyền nhiệt
GV: TS. Nguyễn Minh Tân
Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 2
Các phương thức truyền nhiệt
•  Dẫn nhiệt/Conduction: Quá trình truyền nhiệt từ phần tử
này đến phần tử khác của vật chất khi chúng tiếp xúc trực
tiếp với nhau
•  Đối lưu/Convection: Quá trình truyền nhiệt do các phần
tử chất lỏng hoặc chất khí đổi chỗ cho nhau, do chúng có
nhiệt độ khác nhau hoặc là do bơm, quạt, khuấy trộn,…
•  Bức xạ/Radiation: Qua trình truyền nhiệt dưới dạng các
sóng điện từ. Nhiệt năng biến thành các tia bức xạ rồi
truyền đi, khi gặp vật thể nào đó thì một phần năng lượng
bức xạ đố được biến thành nhiệt năng, một phần phản xạ
lại, và một phần xuyên qua vật thể
2
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 3
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Trao đổi nhiệt bức xạ: là một dạng trao đổi nhiệt không cần có sự tiếp xúc trực
tiếp giữa các vật tham gia quá trình trao đổi nhiệt
1.3. Nhiệt bức xạ
?
Bức xạ và hấp thụ nhiệt của vật thể:
- Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 độ K đều có khả năng bức xạ
năng lượng
- Các tia có hiệu ứng nhiệt cao nhất: tia hồng ngoại và ánh sáng
trắng (λ = 0,4 – 400 µm)
-  Các tia nhiệt truyền trong không gian và đập vào một vật khác,

bị hấp thụ và biến thành năng lượng nhiệt
-  Quá tình trao đổi nhiệt bức xạ gồm hai lần biến đổi năng lượng:
-  biến đổi nội năng thành sóng điện từ (vật phát)
-  biến đổi từ sóng điện từ thành nhiệt năng (vật thu)
-  Hiệu quả trao đổi nhiệt bức xạ phụ thuộc: bản chất, trạng thái
bề mặt, hình dạng, kích thước,… của vật phát và vật thu)
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.3. Nhiệt bức xạ
Q Q
R
Q
D
Q
A
DRA
QQQQ ++=
1=++
Q
Q
Q
Q
Q
Q
DRA
A
Q
Q
A
=

R
Q
Q
R
=
Hệ số hấp thụ
D
Q
Q
D
=
Hệ số khúc xạ
Hệ số phản xạ
A = 1 : Vật đen tuyệt đối
D = 1 : Vật trong tuyệt đối
R =1 : Vật trắng tuyệt đối
D = 0 : Vật xám đục
3
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.3. Nhiệt bức xạ
2
/ mW
dF
dQ
E =
( )
tRHD
EAEEE −=+= 1
Dòng bức xạ Q (W): Lượng nhiệt bức xạ phát ra từ vật với mọi bước sóng,

trong một đơn vị thời gian
Khả năng bức xạ: tổng của bức xạ bản thân (E) và bức xạ phản xạ (E
R
)
Bức xạ đơn Lượng nhiệt bức xạ ứng với một khoảng chiều dài bước sóng
hẹp λ - λ + dλ"
Năng suất bức xạ (E, W/m
2
): dòng nhiệt bức xạ phát trên một đơn vị diện
tích bề mặt bức xạ"
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.3. Nhiệt bức xạ
EEAEEq
tA
−=−= .
Bức xạ hiệu quả (q, W/m
2
): lượng nhiệt trao đổi với môi trường xung quanh
tính trên một m
2

Nếu vật khảo sát có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ của môi trường:
tA
EAEEEq .−=−=
Nếu vật tỏa nhiệt vào môi trường:
!
"
#
$

%
&
−±= 1
1
A
q
A
E
E
HD
Tổng quát:
dấu + : vật nhận nhiệt từ môi
trường
dấu - : vật tảo nhiệt ra môi
trường
4
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7
1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT
1.3. Nhiệt bức xạ
ĐỊNH LUẬT PLANCK
1
2
5
1
0
−
=
−
T
C

e
C
E
λ
λ
λ
Khả năng bức xạ
đơn sắc của vật đen
tuyệt đối
215
1
10.374,0 WmC
−
=
KmC °=
− 212
2
10.4388,1
∫∫
∞
−
∞
−
==
0
5
1
0
00
1

2
λ
λ
λ
λ
λ
d
e
C
dEE
T
C
01
5
max
1
ma x
2
ma x
=−+=
∂
∂
=
T
C
e
E
T
C
o

λλ
λ
λλ
λ
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8
1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT
1.3. Nhiệt bức xạ
Định luật dịch chuyển Wien
KmT °=
−3
ma x
10.898,2
λ
Năng lượng bức xạ tại nhiệt độ thường gặp trong kỹ thuật tập trung trong khoảng 0,8 – 100µm
( ) ( )
TETE ,,
0
λελ
=
Độ đen (hệ số bức xạ)
5
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9
1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT
1.3. Nhiệt bức xạ
ĐỊNH LUẬT STEFAN- BOLTZMANN
4
0
4
00
100

!
"
#
$
%
&
==
T
CTKE
Hằng số bức xạ của
vật đen tuyệt đối
2
( )
4
2
8
00
7,510.
Km
W
KC
°
==
( )
4
2
8
0
10.7,5
Km

W
K
°
=
−
Lấy tích phân phương trình của định luật Planck
Định luật Stefan – Bolztmann cũng đúng với vật xám
44
00
100100
!
"
#
$
%
&
=
!
"
#
$
%
&
==
T
C
T
CEE
εε
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10

1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT
1.3. Nhiệt bức xạ
ĐỊNH LUẬT KIRCHNOFF
( )
T
T
T
E
A
E
0
)(
)(
=
λ
2
Tỉ số giữa khả năng bức xạ và khả năng hấp thụ năng lượng của vật
xám chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn bằng khả năng bức xạ của
vật đen tuyệt đối ở cùng một nhiệt độ
Với bức xạ đơn sắc
( )
T
T
T
E
A
E
0
)(
)(

λ
λ
λ
=
6
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11
1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN
1.3. Nhiệt bức xạ
Nhiệt lượng trao đổi giữa các vật phụ thuộc vào:
- Bản chất vật lý
- Hình dạng
- Kích thước
- Trạng thái bề mặt
- Nhiệt độ
- Vị trí tương đối của các vật,…
Khảo sát trong trường hợp trao đổi nhiệt giữa các vật trong môi
trường trong suốt (không hấp thụ, không phản xạ hoặc tán xạ):
- Bức xạ giữa hai vật thể đặt song song nhau
- Bức xạ giữa hai vật thể bao bọc nhau
- Bức xạ giữa hai vật thể đặt bất kỳ trong không gian
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12
1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN
1.3. Nhiệt bức xạ
Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể phẳng đặt song song nhau
Lượng nhiệt trao đổi giữa hai vật thể bằng hiệu giữa bức xạ hiệu dụng của vật thể
1 và vật thể 2 và bằng lượng nhiệt do vật thể 1 mất đi, chính là lượng nhiệt mà vật
thể 2 nhận được
212121
qqEEq
HDHD

==−=
−
!
!
"
#
$
$
%
&
'
(
)
*
+
,
−
'
(
)
*
+
,
=
!
!
"
#
$
$

%
&
'
(
)
*
+
,
−
'
(
)
*
+
,
−+
=
−+
−
=
−−
4
2
4
1
21
4
2
4
1

11
0
2121
2112
21
100100100100
1
11
TT
C
TT
AA
C
AAAA
EAEA
q
!
"
#
$
%
&
'
'
(
)
*
*
+
,

−−−
!
"
#
$
%
&
'
'
(
)
*
*
+
,
−−=
−
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
21

A
q
A
E
A
q
A
E
q
7
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13
1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN
1.3. Nhiệt bức xạ
Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể bao trùm nhau
!
!
"
#
$
$
%
&
'
(
)
*
+
,
−
'

(
)
*
+
,
=
−−
4
2
4
1
2121
100100
TT
Cq
Với
!
!
"
#
$
$
%
&
−+
=
−
1
11
22

1
1
0
21
AF
F
A
C
C
F1: Bề mặt vật thể bị bao bọc
F2: Bề mặt vật thể bao bọc
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14
1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN
1.3. Nhiệt bức xạ
Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể đặt bất kỳ trong không gian
W
TT
CQ ,
100100
21
4
2
4
1
21 −−
⋅
#
#
$
%

&
&
'
(
)
*
+
,
-
.
−
)
*
+
,
-
.
=
ϕ
Với
0
21
21
C
AA
C
π
=
−
ϕ

1-2
: hệ số góc trung bình được xác định theo công thức hoặc theo số
liệu thực nghiệm
21
21
21
1 2
coscos
dFdF
r
F F
∫ ∫
=
−
ϕϕ
ϕ
8
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15
1.3.4. BỨC XẠ NHIỆT CỦA CÁC CHẤT KHÍ
1.3. Nhiệt bức xạ
-  Cường độ bức xạ của chất lỏng gần bằng cường độ bức xạ của chất rắn, nhưng
thường bị bỏ qua do nó lớn không đáng kể so với toàn bộ quá trình trao đổi nhiệt đối
lưu
- Phần lớn các chất khí (một nguyên tử và hai nguyên tử) là chất trong suốt với các tia
nhiệt
-  Các chất khí khác (CO
2
, SO
2
, H

2
O, NH
3
,…) có tính chất bức xạ và hấp thụ các tia
nhiệt trong khoảng bước sóng nhất định
- Quá trình hấp thụ và bức xạ nhiệt xảy ra trong toàn bộ thể tích khí
- Có thể coi bức xạ khí cũng tuân theo định luật Stefan-Bolztmann:
W
T
CQ
K
,
100
4
0
!
"
#
$
%
&
=
ε
Độ đen của
khí
Nhiệt độ
của khí
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16
Phương thức tuyền nhiệt thứ ba
Tại sao nhiệt lượng có thể

truyền từ mặt trời đến trái đất?

?
9
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17
Bức xạ
Bức xạ nhiệt truyền theo đường thẳng
Đúng/sai
Bức xạ nhiệt có thể truyền trong chân không
Đúng/Sai
Bức xạ nhiệt truyền qua các hạt
Đúng/Sai
Bức xạ nhiệt truyền với tốc độ ánh sáng
Đúng/Sai

QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 18
Thí nghiệm bức xạ
Four containers were filled with warm water. Which
container would have the warmest water after ten minutes?
Shiny metal
Dull metal
Dull black
Shiny black
The __________ container would be the warmest after ten
minutes because its shiny surface reflects heat _______ back
into the container so less is lost. The ________ container
would be the coolest because it is the best at _______ heat
radiation.
shiny metal
radiation

dull black
emitting
10
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 19
Thí nghiệm hấp thụ
Four containers were placed equidistant from a heater. Which
container would have the warmest water after ten minutes?
The __________ container would be the warmest after ten
minutes because its surface absorbs heat _______ the best.
The _________ container would be the coolest because it is
the poorest at __________ heat radiation.
dull black
radiation
shiny metal
absorbing
Shiny metal
Dull metal
Dull black
Shiny black
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20
Câu hỏi về Đối lưu
Tại sao thường bố trí thiết bị đung nóng
bên dưới thùng đựng nước nóng?

Nước nóng đi lên trên.
Khi thiết bị đun nước làm việc, nước nóng đi lên phía
trên, thùng đựng nước nóng luôn chứa đầy nước nóng
Tại sao khí nóng bay lên cao,khí lạnh chìm xuống dưới
Khí lạnh có mật độ cao hơn khí nóng, nên
khí lạnh ‘nặng hơn”.

11
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 21
Câu hỏi vể Bức xạ
Tại sao tại những nước có khí hậu nóng, nhà ở
thường được sơn trắng?
Màu trắng phản xạ lại các tia bức xạ và giữ cho
ngôi nhà mát hơn.
Tại sao lại dùng những tấm chăn sáng bóngbằng kim loại
để quấn cho các vạn động viên chạy Maraton sau khi hộ về
đích?
Vật liệu kim loại sáng bóng phản xạ các tia bức xạ từ bản
thân vận động viên, làm cho họ cảm thấy ấm hơn.
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 22
1. Những phương thức nào không
phải là phương thức truyền nhiệt?
A. Bức xạ
B. Cô lập
C. Đối lưu
D. Dẫn nhiệt
12
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 23
2. Trong trạng thái nào, các phần
tử nằm sát nhau nhất?
A. Rắn
B. Lỏng
C. Khí
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 24
3. Đau là vật liệu tốt nhất dùng
phản xạ các tia bức xạ nhiệt?
A. Sáng bóng

B. Trắng mờ
C. Đen bóng
D. Đen mờ
13
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 25
5. Loại bề mặt nào hấp thụ bức xạ
nhiệt tốt nhất?
A. Sáng bóng
B. Trắng đục
C. Đen bóng
D. Đen mờ
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 26
Bài tập
- Xác định nhiệt lượng tổn thất do bức xạ qua bề mặt của thiết bị hình trụ
bằng thép đặt trong phòng, trên thành thiết bị có phủ một lớp sơn.
Kích thước thiết bị như sau: H = 2m; D = 1 m;
Kích thước phòng: cao 4m, dài 10m, rộng 6m.
Nhiệt độ thành thiết bị là 70 độ C, nhiệt độ không khí trong phòng
là 20 độ C.