Bài giảng nhiệt động kỹ thuật chương 6 và 7

BỨC XẠ NHIỆT
__________________________
1. Định nghĩa TĐNBX
Quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ.
 Đặc điểm
- Mọi vật có T > 0
0
K  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
- Các tia Rơn nghen: m
- Các tia tử ngoại : m
- Các tia ánh sáng: m
- Các tia hồng ngoại: m
- Các sóng vô tuyến: mm
4 4
0,1.10 10.10
 
  
4 4
10.10 200.10
 
  
0, 02 0, 4
  
0, 4 0, 76
  
0, 76 400

  
0,2
 
I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
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
năng lượng hấp thụ.
( 0,4 400 m)
   
I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN


m 0,4 400
   
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 Q
R
,
+ Phần được vật hấp thụ Q

A
+ Phần xuyên qua vật Q
D
.
Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:
( 0,4 400 m)
   
I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
A R D
Q Q Q Q
  
Q
Q
R
Q
A
Q
D
2. Vật đen tuyệt đối, trắng tuyệt đối, trong tuyệt đối
- Viết lại biểu thức bảo toàn năng lượng:
Trong đó: : Gọi là hệ số hấp thụ.
: Gọi là hệ số phản xạ.
: Gọi là hệ số xuyên qua.
- Biểu thức dạng các hệ số: A + R + D = 1
A R D
Q Q Q
1
Q Q Q
  
A

Q
A
Q

R
Q
R
Q

D
Q
D
Q

I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
2. Vật đen tuyệt đối, trắng tuyệt đối, trong tuyệt đối
- 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 đố
i
- 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
2. Vật đen tuyệt đối, trắng tuyệt đối, trong tuyệt đối
+ 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
thuật đều có thể coi là vật xám.
,0
E
const
E



I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
3. Dòng bức xạ, năng suất BX, năng suất BX riêng,
năng suất BX hiệu dụng
3.1 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.
- Ký hiệu là: Q (W; J/s).
- Nếu bức xạ tính trong khoảng λ đến (λ+dλ) thì gọi là bức
xạ đơn sắc  dòng bức xạ đơn sắc Q
λ
.
I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
3. Dòng bức xạ, năng suất BX, năng suất BX riêng,
năng suất BX hiệu dụng

3.2 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/m
2
);
+ Với bức xạ đơn sắc: Năng suất bức xạ đơn sắc.
(W/m
3
)
+ Nếu tại mọi điểm trên bề mặt, năng suất bức xạ có giá
trị không đổi:
hay Q = EF
3.3 Năng suất bức xạ riêng
Năng suất bức xạ của bản thân vật.
dQ
E
dF

dE
E
d



Q
E
F

I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

3. Dòng bức xạ, năng suất BX, năng suất BX riêng,
năng suất BX hiệu dụng
3.4 Năng suất bức xạ hiệu dụng
Giả sử :
- Vật đục (A + R = 1) có nhiệt độ T.
- Hệ số hấp thụ A, năng suất bức
xạ đập tới là E
t
.
- Năng suất bức xạ riêng của bản thân vật là E.
 Khi đó vật sẽ hấp thụ một phần : A.E
t
 Phần còn lại vật sẽ phản xạ trở lại : R.E
t
= (1-A).E
t
I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
E
E
t
(1-A)E
t
E
hd
T, A
3. Dòng bức xạ, năng suất BX, năng suất BX riêng,
năng suất BX hiệu dụng
3.4 Năng suất bức xạ hiệu dụng (tiếp)
- Thực tế vật sẽ phát đi năng
suất bức xạ hiệu dụng E

hd
:
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:


hd t
E E 1 A E
  


hd R t
Q Q Q Q 1 A Q
    
I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
E
E
t
(1-A)E
t
E
hd
T, A
1. Định luật Stefan-Boltzmann
- Năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối tỷ lệ bậc 4 với nhiệt
độ tuyệt đối.
hay
Trong đó: σ
0

: Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối
σ
0
= 5,67.10
-8
(W/m
2
.K
4
)
C
0
: Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
C
0
= 10
8
σ
0
= 5,67 (W/m
2
.K
4
)
- Định luật này cũng đúng cho vật xám:
Trong đó: C: Hệ số bức xạ của vật xám.
T: Là nhiệt độ của vật xám.
4
0 0 0
E =

σ T
4
0
0 0
T
E =C
100
 
 
 
4
T
E = C
100
 
 
 
II.CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ
1. Định luật Stefan-Boltzmann
- Độ đen: Tỷ số giữa năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối
và vật xám ở cùng nhiệt độ (T = T
o
).
- Rút ra biểu thức :
C =  C
0
- 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 :
(W/m

2
)
4
4
0 0
0
0
T
C
E C
100
ε = = =
E C
T
C
100
 
 
 
 
 
 
4
0
T
E = εC
100
 
 
 

II.CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ
2. Định luật Kirchhoff
Giả sử:
+ Hai vật đặt song song với nhau:
- Vật thứ nhất là vật đục :
T
1
, A
1
, E
1
- Vật thứ hai là vật đen tuyệt đối :
T
0
, E
0
, A
0
= 1
- Vì vật đen tuyệt đối hấp thụ toàn bộ năng lượng tới (A
0
=1) :
E
hd 0
= E
0
- Với vật đục (A + R = 1): E
hd 1
= E
1

+ (1 – A
1
)E
0
Giả sử nhiệt độ 2 vật như nhau T
0
= T
1
: E
hd1
= E
hd0
II.CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ
E
1
(1-A
1
)E
0
E
hd
T
1
A
1
E
0
T
0
A

0
4. Định luật Kirchhoff
- Biến đổi va rút gọn:
- Thay vật đục 1 bằng vật đục 2 có E
2
, A
2
, T
2
và khi T
2
=T
0
:
- 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 xạ
của vật đen tuyệt đối.
1
0
1
E
= E
A
II.CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ
2
0
2

E
=E
A
1 2
0 1 2 0
1 2
E E
= = = E (T = T = = T )
A A
4. Định luật Kirchhoff
- Từ ĐL suy ra: (1)
- Mặt khác: (2)
Từ (1) và (2) suy ra  = A, nghĩa là độ đen của vật đục = hệ
số hấp thụ của nó.
0
0
E E
=E =A
A E

0
E
E
 
II.CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ
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. TR
III. TR
AO Đ
AO Đ
Ổ
Ổ
I NHI
I NHI
Ệ
Ệ
T B
T B
Ứ
Ứ
C X
C X
Ạ
Ạ
GI
GI
Ữ
Ữ
A C
A C
Á
Á
C V
C V

Ậ
Ậ
T Đ
T Đ
Ặ
Ặ
T TRONG
T TRONG
MÔI TRƯ
MÔI TRƯ
Ờ
Ờ
NG TRONG SU
NG TRONG SU
Ố
Ố
T
T

1. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vách phẳng, rộng
vô hạn đặt song song
1.1 Khi không có màn chắn giữa hai vật
- Giả thiết: Hai vật đục (2 vách)
+ Vách 1 có: T
1
, A
1
, 
1
+ Vách 2 có: T

2
, A
2
, 
2
T
1
> T
2
và F
1
= F
2
= F
III. TR
III. TR
AO Đ
AO Đ
Ổ
Ổ
I NHI
I NHI
Ệ
Ệ
T B
T B
Ứ
Ứ
C X
C X

Ạ
Ạ
GI
GI
Ữ
Ữ
A C
A C
Á
Á
C V
C V
Ậ
Ậ
T Đ
T Đ
Ặ
Ặ
T TRONG
T TRONG
MÔI TRƯ
MÔI TRƯ
Ờ
Ờ
NG TRONG SU
NG TRONG SU
Ố
Ố
T
T

E
1
(1-A
1
)E
hd2
E
hd1
T
1
A
1
E
1
T
2
A
2
E
2
E
2
(1-A
2
)E
hd1
E
hd2
1. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vách phẳng, rộng
vô hạn đặt song song

1.1 Khi không có màn chắn giữa hai vật
- Lượng nhiệt trao đổi:
Trong đó:
Giải hệ (1,2,3) :
12 hd1 hd2 1 2
q E E q q (1)
   


 
hd1 1 1 hd2
hd2 2 2 hd1
E E 1 A E (2)
E E 1 A E (3)
  
  
2 1 1 2 2 1 1 2
12
1 2 1 2 1 2 1 2
A E A E E E
q (*)
A A A A
   
 
       
III. TR
III. TR
AO Đ
AO Đ
Ổ

Ổ
I NHI
I NHI
Ệ
Ệ
T B
T B
Ứ
Ứ
C X
C X
Ạ
Ạ
GI
GI
Ữ
Ữ
A C
A C
Á
Á
C V
C V
Ậ
Ậ
T Đ
T Đ
Ặ
Ặ
T TRONG

T TRONG
MÔI TRƯ
MÔI TRƯ
Ờ
Ờ
NG TRONG SU
NG TRONG SU
Ố
Ố
T
T
1. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vách phẳng, rộng
vô hạn đặt song song
1.1 Khi không có màn chắn giữa hai vật
- Lượng nhiệt trao đổi:
Mặt khác: và
Thay vào PT (*):
4
1
1 1 0
T
E C
100
 
 
 
 
4
2
2 2 0

T
E C
100
 
 
 
 
4 4
1 2
12 0
1 2
1 T T
q C
1 1
100 100
1
 
   
 
 
   
   
 
 
 
III. TR
III. TR
AO Đ
AO Đ
Ổ

Ổ
I NHI
I NHI
Ệ
Ệ
T B
T B
Ứ
Ứ
C X
C X
Ạ
Ạ
GI
GI
Ữ
Ữ
A C
A C
Á
Á
C V
C V
Ậ
Ậ
T Đ
T Đ
Ặ
Ặ
T TRONG

T TRONG
MÔI TRƯ
MÔI TRƯ
Ờ
Ờ
NG TRONG SU
NG TRONG SU
Ố
Ố
T
T
1. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vách phẳng, rộng
vô hạn đặt song song
1.1 Khi không có màn chắn giữa hai vật
- Lượng nhiệt trao đổi:
Đặt
Với 
qd
: là độ đen quy dẫn của hệ
PT tính nhiệt :
qd
1 2
1
1 1
1
 
 
 
4 4
2

1 2
12 qd 0
T T
q C ; (W/m )
100 100
 
   
  
 
   
   
 
III. TR
III. TR
AO Đ
AO Đ
Ổ
Ổ
I NHI
I NHI
Ệ
Ệ
T B
T B
Ứ
Ứ
C X
C X
Ạ
Ạ

GI
GI
Ữ
Ữ
A C
A C
Á
Á
C V
C V
Ậ
Ậ
T Đ
T Đ
Ặ
Ặ
T TRONG
T TRONG
MÔI TRƯ
MÔI TRƯ
Ờ
Ờ
NG TRONG SU
NG TRONG SU
Ố
Ố
T
T
1. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vách phẳng, rộng
vô hạn đặt song song

1.1 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 T
m
chưa biết, T
1
>T
2
.
Quá trình trao đổi nhiệt ổn định & một chiều: q
12
= q
1m
= q
2m
Áp dụng:
4 4
1 m
1m 0
1 m
4 4
m 2
m 2 0
m 2
1 T T
q C
1 1

100 100
1
1 T T
q C
1 1
100 100
1
 
   
 
 
   
   
 
 
 
 
   
 
 
   
   
 
 
 
III. TR
III. TR
AO Đ
AO Đ
Ổ

Ổ
I NHI
I NHI
Ệ
Ệ
T B
T B
Ứ
Ứ
C X
C X
Ạ
Ạ
GI
GI
Ữ
Ữ
A C
A C
Á
Á
C V
C V
Ậ
Ậ
T Đ
T Đ
Ặ
Ặ
T TRONG

T TRONG
MÔI TRƯ
MÔI TRƯ
Ờ
Ờ
NG TRONG SU
NG TRONG SU
Ố
Ố
T
T
1. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vách phẳng, rộng
vô hạn đặt song song
1.1 Khi có màn chắn giữa hai vật
- Lượng nhiệt trao đổi:
+ Trong trường hợp có n màn chắn có độ đen như nhau :
III. TR
III. TR
AO Đ
AO Đ
Ổ
Ổ
I NHI
I NHI
Ệ
Ệ
T B
T B
Ứ
Ứ

C X
C X
Ạ
Ạ
GI
GI
Ữ
Ữ
A C
A C
Á
Á
C V
C V
Ậ
Ậ
T Đ
T Đ
Ặ
Ặ
T TRONG
T TRONG
MÔI TRƯ
MÔI TRƯ
Ờ
Ờ
NG TRONG SU
NG TRONG SU
Ố
Ố

T
T
4 4
2
1 2
12 0
1 2 m
1 T T
q C ;(W / m )
1 1 2
100 100
1 1
 
   
 
 
   
   
 
   
  
4 4
2
1 2
12 0
1 2 m
1 T T
q C ;(W / m )
100 100
1 1 2

1 n 1
 
   
 
 
   
 
   
 
   
 
  
 
1. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vách phẳng, rộng
vô hạn đặt song song
1.1 Khi có màn chắn giữa hai vật
- 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.

III. TR
III. TR
AO Đ
AO Đ
Ổ
Ổ
I NHI
I NHI
Ệ
Ệ
T B
T B
Ứ
Ứ
C X
C X
Ạ
Ạ
GI
GI
Ữ
Ữ
A C
A C
Á
Á
C V
C V
Ậ
Ậ

T Đ
T Đ
Ặ
Ặ
T TRONG
T TRONG
MÔI TRƯ
MÔI TRƯ
Ờ
Ờ
NG TRONG SU
NG TRONG SU
Ố
Ố
T
T
 
12
12 m
q
q
n 1


2.Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau
Giả thiết: Hai vật đục bọc nhau:
+ Vật 1 lồi, có: F
1
, 
1

, A
1
, T
1
+ Vật 2 lõm, có: F
2
, 
2
, A
2
, T
2
Nhận thấy:
- Toàn bộ dòng bức xạ hiệu dụng
của vật 1 đều có thể đến được vật 2.
- Ngược lại, chỉ có một phần dòng
nhiệt bức xạ hiệu dụng của vật 2 rơi
trên vật 1.
- Phần còn lại sẽ rơi ngay trên bản
thân vật 2.
III. TR
III. TR
AO Đ
AO Đ
Ổ
Ổ
I NHI
I NHI
Ệ
Ệ

T B
T B
Ứ
Ứ
C X
C X
Ạ
Ạ
GI
GI
Ữ
Ữ
A C
A C
Á
Á
C V
C V
Ậ
Ậ
T Đ
T Đ
Ặ
Ặ
T TRONG
T TRONG
MÔI TRƯ
MÔI TRƯ
Ờ
Ờ

NG TRONG SU
NG TRONG SU
Ố
Ố
T
T
1
T
1
, 
1
2
T
2
, 
2

21
.Q
hd2
(1-
21
).Q
hd2