Bức xạ nhiệt truyền nhiệt ĐH BK TPHCM

CHƯƠNG

4

BỨC XẠ NHIỆT


4.1 Khái niệm

-Vật có nhiệt độ lớn hơn 0 K luôn có sự biến đổi nội năng thành năng lượng sóng điện từ.
Các sóng này truyền trong không gian với tốc độ ánh sáng và có chiều dài bước sóng λ

- Kỹ thuật nhiệt quan tâm đến các tia có hiệu ứng nhiệt cao ở nhiệt độ thường → các tia có bước sóng 0,4 ~40µm → tia nhiệt (thermal
radiation)

- Quá trình phát sinh, truyền và hấp thu những tia nhiệt gọi là bức xạ nhiệt.


4.2 Các định nghĩa cơ bản về bức xạ nhiệt

- Dòng bức xạ toàn phần Q [W]: năng lượng phát ra trên bề mặt F của vật trong một đơn vị thời gian trên toàn bộ
không gian nữa bán cầu ứng với tất cả cả bước sóng từ 0 đến ∞

2
- Công suất bức xạ bán cầu của vật E [W/m ]: dòng bức xạ toàn phần phát ra trên 1 đơn vị diện tích bề mặt

dQ
E=
dF

[W / m 2 ] ⇒ Q = ∫ EdF

F

dQ: dòng bức xạ toàn phần phát ra trên bề mặt phân
tố dF

- Dòng bức xạ đơn sắc Qλ [W]: dòng bức xạ chỉ xét với một dãy hẹp của khoảng bước sóng từ λ đến λ+dλ

- Công suất bức xạ đơn sắc(cường độ bức xạ đơn sắc) Eλ: công suất bức xạ ứng với một dãy hẹp của chiều dài
bước sóng

dE
Eλ =
dλ

[W / m 3 ]

hay

[W / m 2 .µm]


4.2 Các định nghĩa cơ bản về bức xạ nhiệt

- Bức xạ bản thân của vật: Bức xạ của vật phát sinh do sự thay đổi trạng thái năng lượng của vật. Trạng thái năng
lượng của vật phụ thuộc vào bản chất vật lý và nhiệt độ của vật

- Dòng năng lượng bức xạ bên ngoài chiếu lên vật là Q o sẽ được vật hấp thu 1 phần: QA để biến thành nhiệt, một
phần bị vật phản xạ lại: QR, phần còn 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 trong suốt tuyệt đối :

A = 0, D = 1, R = 0;


Thực tế không có ba loại vật đặc trưng trên.
- Không khí khô, sạch là vật trong suốt tuyệt đối với tia nhiệt, nhưng sự có mặt của hơi nước và khí làm không khí thành vật nửa trong
suốt (semitransparent).
- Chất rắn và chất lỏng thì thực tế không trong suốt với tia nhiệt (nontransparent, athermanous D = 0)
- Thạch anh thì tùy bước sóng mà nó có thể là chất nửa trong suốt (semitransparent) hay không trong suốt (athermanous) khi λ > 4µ và
nó trở thành chất trong suốt đối với ánh sáng thấy được và các tia tử ngoại có λ < 4µ.

- Muối mỏ (NaCl) thì trái lại là vật trong suốt đối với tia nhiệt và là vật không trong suốt đối với tia tử ngoại.
- Kính cửa sổ thì trong suốt đối với ánh sáng thấy được nhưng hầu như không trong suốt đối với tia nhiệt và bức xạ tử ngoại.
- Sự hấp thụ và phản xạ tia nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái bề mặt vật chứ không chỉ do màu sắc. Độ phản xạ của bề mặt nhẵn
và bóng thì có thể gấp nhiều lần bề mặt nhám cùng màu.
Vật trắng (đồ trắng, tủ lạnh trắng, vật liệu cách nhiệt) phản xạ ánh sáng thấy được rất tốt nhưng khả năng hấp thụ tia nhiệt không thấy
được thì cũng cao như đồ đen, sơn đen…
Độ hấp thụ tia nhiệt có thể tăng nhờ lớp phủ bề mặt màu sẫm, đỏ hay quét dầu đen .


4.2 Các định nghĩa cơ bản về bức xạ nhiệt


4.2 Các định nghĩa cơ bản về bức xạ nhiệt


4.3. Các định luật cơ bản của Bức xạ nhiệt

,

Công suất bức xạ (radiating power)
Công suất bức xạ của một vật (năng suất bức xạ riêng) là năng lượng do
vật phát đi trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian:

Q
E=
F

(kcal /m2.h, W/m2 )

Công suất bức xạ hiệu quả (effective radiation)

E ef = E1 + (1 − A1 )E 2 , (W/m2 )

ENếu:
2 ≡ E 2ef

(của vật 2) thì ta có:

E lef = E1 + (1 − A1 )E 2ef


4.3. Các định luật cơ bản của Bức xạ nhiệt

4.3.1 Định luật Planck

Công suất bức xạ của một vật E là tổng năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian của tất cả các sóng
điện từ có λ = 0 đến λ = ∞.

E λ = dE /dλ
là biến thiên công suất bức xạ E của vật khi bước sóng của tia bức xạ thay đổi từ λ đến λ + dλ.
2
2
Eλ : cường độ bức xạ (spectral intensity hay radiation intensity) kcal/.m .h; W/m .


4.3. Các định luật cơ bản của Bức xạ nhiệt

4.3.1 Định luật Planck
Planck đã tìm được công thức lý thuyết xác định công suất bức xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối E oλ (chỉ số 0 biểu thị vật đen
tuyệt đối)

E0 λ

C1λ−5
= C 2 λT
e
−1

C1=0,374.10

-15

2
[W/m ]

C2=1,4388.10

C1, C2: hằng số Planck

-2

[m.K]

λ : chiều dài bước sóng [m]
T : Nhiệt độ tuyệt đối của vật [K]

Có một giá trị λm mà tại đó, Eoλ đạt cực đại được xác định theo định luật Wien

λmT = 2,9 = const

λm : chiều dài bước sóng [mm]


4.3. Các định luật cơ bản của Bức xạ nhiệt

4.3.2 Định luật Stefan-Boltzmann
Dùng để xác định công suất bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối

∞

∞

C1λ−5
E 0 = ∫ E0 λ d λ = ∫ C 2 λ T
dλ = σ oT 4
e
−1
0
0

σo: là hằng số , chỉ phụ thuộc vào đơn vị đo lường. Trong kỹ thuật, ta sử dụng công thức sau:

 T 
Eo = C o 

100



4

2 4
Với Co = 5,67 [W/m K ] : hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

2

[W / m ]

Đối với vật thực (vật xám)

 T  ⇒ε = E = C
E = C

Eo C o
 100 
4

 T 
⇒ E = ε .Co 

 100 

: độ đen của vật, giá trị trong khoảng 0 < ε < 1

4

[W / m 2 ]


4.3. Các định luật cơ bản của Bức xạ nhiệt

4.3.3 Định luật Kirchhoff
Thiết lập quan hệ giữa khả năng bức xạ của vật và hệ số hấp thu A
- Ban đầu, vật xám phát xạ E, vật đen hấp thụ hết (Ao=1)
- Sau đó vật đen phát xạ Eo, vật xám phản xạ phần (1-A)Eo về vật đen và vật đen hấp thụ hết
Vậy, vật xám đã phát xạ lượng năng lượng là: EΣ = q = E-EoA

Khi T = To, hệ thống cân bằng nhiệt động và 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 2
A1 A2


4.4. Bức xạ nhiệt giữa các vật rắn

Bức xạ nhiệt giữa các vật rắn đặt trong môi trường trong suốt


4.4. Bức xạ nhiệt giữa các vật rắn


4.4. Bức xạ nhiệt giữa các vật rắn


4.4. Bức xạ nhiệt giữa các vật rắn


4.4. Bức xạ nhiệt giữa các vật rắn


4.4. Bức xạ nhiệt giữa các vật rắn


4.4. Bức xạ nhiệt giữa các vật rắn


4.4. Bức xạ nhiệt giữa các vật rắn

4.4. Bức xạ nhiệt giữa các vật rắn


CHƯƠNG

4

BỨC XẠ NHIỆT