TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

CHƯƠNG 7 CHƯƠNG 7

BỨC XẠ NHIỆT BỨC XẠ NHIỆT

1. Khái niệm cơ bản về bức xạ nhiệt

2. Cac ñònh luaät cô ban ve böc xaï nhieät 2 Caùc ñònh luaät cô baûn veà böùc xa nhieät

3. Trao đổi nhiệt böùc xaï giöõa hai taám phaúng ñaët song song

4. Trao ñoåi nhieät böùc xaï giöõa hai vaät boïc nhau

1

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

2

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

1. Khái niệm cơ bản về bức xạ nhiệt: ạ ệ ệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Khái niệm cơ bản về bức xạ nhiệt: ạ ệ ệ

Moät vaät baát kyø coù nhieät ñoä T  coù nhieät naêng  moät phaàn nhieät nang bien thanh nang löôïng song ñieän tö  truyen ñi nhieät naêng bieán thaønh naêng löông soùng ñieän töø  truyeàn ñi trong khoâng gian  gaëp vaät theå khaùc  Haáp thuï  bieán laïi thanh nhieät nang thaønh nhieät naêng

3

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Moät vaät luon phat ra nang löôïng böc xaï va Moät vaät luoân phaùt ra naêng löông böùc xa vaø nhaän naêng löôïng böùc xaï töø vaät theå khaùc chieáu ñeán.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Trao ñoåi nhieät böùc xa: là quá trình trao đổi nhiệt Trao ñoi nhieät böc xaï: là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra giữa các vật có nhiệt độ khác nhau đặt cách xa nhau  Năng lượng bức xạ truyền trong không gian dưới dạng sóng điện từ.

BANG PHAN LOAÏI THEO BÖÔC SONG BAÛNG PHAÂN LOAI THEO BÖÔÙC SOÙNG

Daïng böùc xaï Tia vu truï Tia vuõ tru

Chieàu daøi böôùc soùng 0,05.10-6 0,05.10  (0,5  1,0).10-6

Tia gamma

10-6  20.10-3 20.10-3  0,4 0,4  0,8 , 0,8  400  0,2mm  X km

Tia Rônghen Tia töû ngoaïi Tia saùng ï Tia hoàng ngoaïi g g Soùng voâ tuyeán ñieän

4

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Tia tôùi

Thaønh phaàn phaûn xaï

Doøng böùc xaï, heä soá haáp thuï, heä soá phaûn xaï vaø heä soá xuyeân qua:

Qo

QR

ät h à

â

Qo: doøng böùc xaï chieáu leân beà maët (W); QA: moät phaàn haáp thuï bieán thaønh nhieät ; QR: moät phaàn phaûn xaï; QD: moät phan xuyen qua Q

Thaønh phaàn Th ø h h à QA haáp thuï

QD D

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

 

 

 

o

A

R

D

Thaønh phaàn xuyeân qua

1DRA



Q A Q

Q R Q

Q D Q

o

o

o

5

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

1DRA



Q QQQ Q Q A R D Q Q Q o o o

A, R, D: heä soá haáp thu, phaûn xaï, xuyeân qua; Bieán ñoåi töø 0  1, phuï thuoäc vaøo baûn chaát vaät lyù cuûa vaät, nhieät ñoä, vaø chieàu daøi böôùc soùng.

A = 1 vaät ñen tuyeät ñoái

R = 1 R 1 vaät traéng tuyeät ñoái. ä ñ ái ä é

D = 1 vaät trong tuyeät ñoái.

6

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Vaät xaùm: D = 0 vaø A + R = 1 V ät ø A R 1 ù D 0

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

 Khaû naêng böùc xaï baùn caàu E [W/m2] g

g g g ò ä

(W/m2)

E 

dQ dQ dF

Laø doøng böùc xaï phaùt ra treân moät ñôn vò dieän tích dF, öùng ä vôùi moät ñôn vò thôøi gian treân toaøn boä khoâng gian nöûa baùn caàu öùng vôùi taát caû caùc böôùc soùng  = 0  

(W)

Q

dFE 

Naêng löôïng böùc xaï Q (W):

 

F

7

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

 Khaû naêng böùc xaï ñôn saéc E [W/m2]

(W/m3)

E

 

dE d d  

g ( ïp g Laø maät ñoä böùc xaï baùn caàu öùng vôùi moät giaûi heïp cuûa chieàu daøi böôùc soùng (chæ xeùt vôùi 1 daõi böôùc soùng hep    +d) )

(W/m2) ) (

E



dE  

Böùc xa baùn caàu E (W/m2): Böc xaï ban cau E (W/m ):

 

0

8

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Xeùt doøng böùc xaï tôùi töø beân ngoaøi E2 chieáu leân beà maët vaät xaùm (A + R = 1)

 Khaû naêng böùc xaï hieäu duïng Ehd

A1*E2

- Năng lượng bức xạ vaät 1 phaùt ra:

=

+

E2

Ehd = E1 + (1-A1)E2 (W/m2)

Vật 1

= =

(Ehd gọi là khả năng bức xạ hiệu (Ehd gọi là khả năng bức xạ hiệu dụng của vật)

E1 + (1-A1)E2

E1

(W/m2) (W/m )

- Năng lượng bức xạ mà vật 1 trao đổi với môi trường xung quanh là: Ekq q = E1 – A1E2 = Ekq E1 A1E2 q Ekq: khaû naêng böùc xaïkeát quaû

9

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

ạ ệ 2. Caùc ñònh luaät cô baûn veà böùc xạ nhiệt:

Ñònh luaät thiet laäp moi quan heä giöa kha nang böc xaï ñôn sac cua Ñònh luaät thieát laäp moái quan heä giöõa khaû naêng böùc xa ñôn saéc cuûa

vaät ñen tuyeät ñoái Eo = f(,T)

3mW

E

o 

2

e

1

5 C C  1 )T(C  

Vôùi C1, C2 laø haèng soá Planck thöù nhaát vaø thöù hai

2

3742

15 m.W10.

,0C 

1

4388

2  K.m10.

,1C  2

 – chieàu daøi böôùc soùng, m T – nhieät ñoä tuyeät ñoái cuûa vaät, K T ät K

hi ät ñ ä t

ät ñ ái

û

10

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

 Ñònh luaät Planck:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Ñoà thò Maät ñoä doøng ñôn saéc – chieàu daøi böôùc soùng

11

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Ñònh luaät naøy thieát laäp moái quan heä giöõa khaû naêng böùc xaï baùn caàu cuûa

vaät ñen tuyeät ñoái phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä

- Khả năng bức xạ bán cầu của vật đen tuyệt đối:

(W/m2) 2) (W/

E E

C C

o

o

4T T     100 

    

với Co = 5,67 W/m2.K4 : hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối với C 5 67 W/m2 K4 : hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

- Đối với vật xám :

4 4

(W/m2)

C

o

T T 100

T T 100

4 4    

   

  CE   

   

với  = C/Co (0 <  < 1): do den của vật

12

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

 Ñònh luaät Stefan Bolztmann:  Ñònh luaät Stefan – Bolztmann:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Ñònh luaät naøy thieát laäp moái quan heä giöõa khaû naêng böùc xaï  cuûa vaät

vôùi heä soá haáp thuï A.

Vaät ñen

Vaät xaùm

Xeùt hai taám phaúng ñaët song song vôùi:

– Kích thöôùc lôùn so vôùi khoaûng caùch

Eo

T T1 1

To o=1

1.Eo  E

– Vaät ñen coù nhieät ñoä To, khaû naêng böc xaï Eo böùc xa E

(1-1).Eo (1  ) E

E1

– Vaät xaùm coøn laïi coù nhieät ñoä T1, khaû nang böc xaï E1, heä so hap thuï A1 naêng böùc xa E1, heä soá haáp thu A1

13

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

 Ñònh luaät Kirchhoff:  Ñònh luaät Kirchhoff:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Nhieät löôïng trao ñoåi baèng böùc xaï giöõa 2 taám:

EAEq  1

1

o

0 nen: ÔÛ ñieàu kieän caân baèng nhieät ñoäng (T = T1) thì q = 0 neân: Ô ñieu kieän can bang nhieät ñoäng (To

T1) thì q

E

0

o

1

EA 1

o

E 1 E  1A A 1

Thay vaät xaùm 1 baèng caùc vaät xaùm khaùc, toång quaùt:

n

2

E

Tf 

o

E E A

E E 1 A

E E A

n

1

2

4 4

A



4

E E E

0

C

0

T 100 T T 100

14

  C      

       

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

A = 

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

g 3. Trao ñoåi nhieät böùc xaï giöõa taám phaúng ñaët song song: p g g g

Tam 1: co nhieät ñoä T1, heä so hap thu A1. Taám 1: coù nhieät ñoä T1, heä soá haáp thu A1. Taám 2: coù nhieät ñoä T2, heä soá haáp thuï A2. Dieän tích taám F1 = F2 = F Nang löôïng trao ñoi nhieät BX giöa hai tam la: N ê l ø t

ñ åi hi ät BX iöõ h i t á

löô

Q12 = Q1hd – Q2hd

Vì hai taám coù dieän tích nhö nhau neân coù theå vieát:

q12 = E1hd – E2hd

trong ñoù

E

1 E)A(E 

1

hd

hd

E E

1 E E

1 2 1 1 E)A( E)A(  

 

2

2

2

1

hd

hd

   

15

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

 Hai taám phaúng ñaët song song:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Tìm ñöôïc E1hd va E2hd Tìm ñöôc E1hd vaø E2hd

1

1

E

hd1

  

E)A1(E 2 AAAA 2

1

1

2

1 1

q

12

2 2 

EAEA  1 1 2 2 AAAA  2

1

1

2

2

2

E

hd2

E E)A1(  1 AAAA AAAA    2

1

1

2

         

4

4

E

C



E

C



2

2

o

1

1

o

T 2 100

T 1 100

   

   

   

   

Theo ñònh luaät Stefan Boltzmann: Theo ñònh luaät Stefan – Boltzmann:

16

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Theo ñònh luaät Kirchhoff: A =  ;

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

4

q q

2mW mW

12 12

T 1 100

T 2 100

4    

   

   

    

         1

C o 1 

1 

2

1

4

W

Hoaëc

Q

C.FFq 

12

12

o

12

T 1 100 100

T 2 100 100

4    

   

   

        

    

 12

Nhieät löôïng trao ñoi giöa hai tam la Nhieät löông trao ñoåi giöõa hai taám laø

1

1 1 1 

1 

2

1

17

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Ñoä ñen cuûa heä:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

4 4

q

12

T 1 100

T 2 100

4 4    

   

   

        

    

1

C o 1 

2 2

1  1 1

q

12

1 2

1 

2o 2o 1 

2

1

  

E 1o 1o  1  2 

 E   

  

ï Sô ñoà maïng nhieät trôû böùc xaï

ï g

ä

2o

R

q

12

1 2 2

E R R

E R R

1      

   

 1o   

1

2

1818

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Nhieät trô böc xaï be maët tam phang. Nhieät trôû böùc xa beà maët taám phaúng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Xeùt trường hợp giữa 2 taám phaúng song song đặt một maøn chắn böùc xaï coù ñoä ñen c Maøn chaén böùc xaï:

laø vaät xam, bo qua nhieät trô dan nhieät xaùm boû qua nhieät trôû daãn nhieät

 Taám phaúng ñaët song song coù boá trí maøng chaén:

Sô ñoà maïng nhieät trôû böùc xaï

4

C

o

E

T T 1 100

T T 2 100

4    

   

   

q

12

q

12

 01 R2

R

R

E 

02 

c

2

 1

1 2

1 2

1 2

1

c

2

            

 1    

   

      1    

 1   2 2  

   

19

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

R



1

R

R





2

c

1 2

1  1

  

  

1 2

1 2

 1    2  2

 1    c  c

   

Nhieät trôû böùc xaï:

    Tröôøng hôïp n maøng chaén coù ñoä ñen khaùc nhau:

4

C o

T T 1 100

T T 2 100

4    

   

   

        

q 12

n

 

1 2

1 2

1 2

1 

     1 

1i 

1  1

ci

2

   

   

   

   

   2 2 

   

4

C

o

T T 1 1 100

T T 2 2 100

4     

    

    

          

     

q

12

n

1 1

1 1

 

 

 

 

1 

2 

1i

1  1

2

ci

   

   

   

       

   

2020

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Ví duï: trao ñoåi nhieät trong buoàng ñoát, böùc xaï cuûa vaät theå ñaët trong phoøng, böùc xaï trong thieát bò …

4. Trao ñoåi nhieät böùc xaï giöõa hai vaät boïc nhau:

Khao sat: Khaûo saùt:

2,

p ä ä ä ä

+ Vaät 1: dieän tích F1, nhieät ñoä T1, heä soá haáp thu A1, + Vaät 2: dieän tích F2, nhieät ñoä T2, heä soá haáp thu A2, 2, 2, ä Vì F1  F2 : tính doøng böùc xaï Q12.

Ñaëc ñieåm: å

ä , ä

2121

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Naêng löôïng böùc xa cuûa vaät 1 phaùt ra toaøn boä rôi treân vaät 2, coøn naêng g löôïng böùc xaï phaùt ra töø vaät 2 chæ coù moät phaàn rôi leân vaät 1, phaàn coøn laïi rôi len chính ban than no rôi leân chính baûn thaân noù

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

g g 21

- Goïi 21: laø soá % naêng löôïng böùc xaï cuûa vaät 2 rôi leân vaät 1 (heä soá chieáu xaï hoaëc heä soá goùc)

Q

Q

Q



12

hd1

21

hd2

Trong ñoù Trong ño Q

Q A1Q

 

21

1

1

hd2

hd1

(1)

Q

Q

Q



 

 

hd2

2

  QA1  2

hd1

    1A1  2

21

hd2

     

4 4

Q

C



F 1

FE 11

o

1

1

(2)

T T 1 100

Naêng löôïng böùc xaï baûn thaân caùc vaät:    

   

4

Q

C



2

FE 2 2

2

o

F 2

T T 2 2 100

    

    

        

2222

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Ta coù naêng löôïng böùc xaï trao ñoåi giöõa 2 vaät:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

4

Q Q

12 12

F F 1 1

F F 2 2

21 21

T 1 100

T 2 100

    

4      

    

    

    

    

1



21

1 

2

1  1

C o    

   

0

F 2 2

F 1 1

21 21

Giai heä phöông trình (1) va (2) tìm ñöôïc Q1hd , Q2hd Giaûi heä phöông trình (1) vaø (2) tìm ñöôc Q1hd Q2hd

T 100

4      

4     

    

    

 21 21

F 1 F F 2

Trong ñieàu kieän caân baèng nhieät ñoäng (T1 = T2 = T) thì Q12 = 0: T 100

2323

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Heä soá goùc 21 thuaàn tuùy mang tính chaát hình hoïc, khoâng phuï thuoäc baûn chaát vaät lyù cuûa vaät.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

4

Q

12

T 1 100

T 2 100

4   

  

  

      

   

1 1

 

2

1  1

FC 1o  F 1 1   F   2

   

4

ë ñaët

 12 12

Q Q



12

FC FC 1o

12

1

T 1 1 100

T 2 2 100

4     

    

    

1 

         

    

1  1

F 1 F 2

2

1    

   

Khi ñoù naêng löôïng böùc xaï trao ñoåi giöõa hai vaät:

4

Q Q

E E

CF CF   11

12

o

  EF EF   11

1

2 

T 1 1 100

T 2 2 100

 Khi F1 << F2 (töùc F1/F2  0) 4    

   

   

        

    

Ñoä ñen 2 khoâng aûnh höôûng ñeán quaù trình trao ñoåi nhieät böùc xaï

 Khi F1  F2 (töùc F1/F2 = 1): tröôøng hôïp 2 taám phaúng song song

24

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Tröông hôïp ñaëc bieät: Tröôøng hôp ñaëc bieät:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Tài liệu tham khảo: Tài liệu tham khảo:

1. Hoàng Đình Tín, truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi

nhiệt, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2001

2. Hà Anh Tùng, Bài Giảng môn học truyền nhiệt, Trường Đại 2 Hà Anh Tùng Bài Giảng môn học truyền nhiệt Trường Đại

học Bách Khoa TpHCM

3. Nguyễn Toàn Phong, Bài Giảng môn học truyền nhiệt, Trường

Đại học Bách Khoa TpHCM p ọ ạ

25

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

4. J.P.Holman, heat transfer, Ninth edition, Mc Grew Hill.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

HẾT CHƯƠNG 7 HẾT CHƯƠNG 7

26

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân