Bài giảng Truyền nhiệt VP - Bài 3: Trao đổi nhiệt bằng bức xạ - TS. Hà Anh Tùng (ĐH Bách khoa TP.HCM)

Chia sẻ: Lê Đình Tâm | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

210
lượt xem 35
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung Bài 3 Trao đổi nhiệt bằng bức xạ trình bày khái niệm chung về bức xạ nhiệt, các định luật cơ bản của bức xạ nhiệt, trao đổi nhiệt bức xạ giữa các vật rắn đặt trong môi trường trong suốt.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Truyền nhiệt VP - Bài 3: Trao đổi nhiệt bằng bức xạ - TS. Hà Anh Tùng (ĐH Bách khoa TP.HCM)

Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM Iiv. Trao đổi nhiệt bằng Bức xạ 4.1 Khái niệm chung về Bức xạ nhiệt 4.2 Các định luật cơ bản về Bức xạ nhiệt 4.3 Trao đổi nhiệt Bức xạ giữa các vật rắn đặt trong môi trường trong suốt ¾ Hai tấm phẳng đặt song song ¾ Hai vật bọc nhau ¾ Tác dụng của màn chắn p.1
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM 4.1 Khái niệm chung về BỨC XẠ NHIỆT ĐN: là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra giữa các vật có nhiệt độ khác nhau đặt cách xa nhau Æ Năng lượng bức xạ truyền trong không gian dưới dạng sóng điện từ p.2
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM ¾ Tính chất của năng lượng bức xạ - Mọi vật luôn phát ra năng lượng bức xạ và nhận năng lượng bức xạ từ các vật khác đến - Năng lượng bức xạ phát ra từ vật tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối lũy thừa bậc 4 E ~ T4 - Vật đen tuyệt đối sẽ nhận năng lượng bức xạ lớn nhất p.3
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM A White sifaka Lemur To warm up in the morning, they turn their dark bellies toward the sun. p.4
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM ¾ Các thành phần của năng lượng bức xạ Qo: doøng chieáu ñeán; QA: haáp thu ; QR: phaûn xaï; QD: xuyeân qua Qo = QA + QR + QD QA QR QD Hoaëc + + = A+ R + D =1 Qo Qo Qo A, R, D: heä soá haáp thu, phaûn xaï, xuyeân qua; trò soá 0 ñeán 1, phuï thuoäc vaøo baûn chaát vaät lyù cuûa vaät, T, vaø chieàu daøi böôùc soùng. Neáu A = 1 vaät ñen tuyeät ñoái (VD vật có bề mặt sơn đen có A ~ 1) R=1 vaät traéng tuyeät ñoái. (VD không khí sạch có thể xem D =1 ) D=1 vaät trong tuyeät ñoái. Caùc vaät raén thöôøng gaëp: D = 0 vaø A + R = 1, goïi laø VẬT ĐỤC p.5
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM ¾ Xét 1 vật đục : có nhiệt độ T1, hệ số hấp thu A1 A1*E2 - Vật 1 phát ra tổng cộng = năng lượng bức xạ là: + E2 Vật 1 Ehd = E1 + (1-A1)E2 (W/m2) = (Ehd gọi là khả năng bức xạ E1 + (1-A1)E2 hiệu dụng của vật) E1 - Năng lượng bức xạ mà vật 1 trao đổi với môi trường xung quanh là: q = E1 --A1E2 (W/m2) p.6
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM 4.2 Các định luật cơ bản về Bức xạ nhiệt ¾ ĐL Stefan-Boltzmann: - Khả năng bức xạ bán cầu của vật đen tuyệt đối là: 4 ⎛ T ⎞ Eo = C o ⎜ ⎟ (W/m2) ⎝ 100 ⎠ với Co = 5,67 W/m2.K4 là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối 4 4 - Đối với vật xám : E = C ⎛⎜ T ⎞⎟ = ε Co ⎛⎜ T ⎞⎟ (W/m2) ⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ với ε = C/Co (0 < ε < 1) gọi là ĐỘ ĐEN của vật p.7
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM ¾ ĐL Kirchhoff Xeùt 2 taám phaúng ñaët song song, taám 1 laø vật đen tuyệt đối, taám 2 laø vaät xaùm. NL trao ñoåi baèng BX giöõa 2 taám: q = E 1 − A 1 E o ÔÛ ĐK caân baèng nhieät ñoäng (To = T1) thì q = 0 neân: E1 E1 − A1E o = 0 = Eo A1 Thay vaät xaùm 1 baèng caùc vaät xaùm khaùc, toång quaùt: E1 E 2 E = = K = n = E o = f (T ) A1 A 2 An “ÔÛ ĐK caân baèng nhieät ñoäng, tyû soá giöõa khaû naêng BX vaø heä soá haáp thu cuûa vaät xaùm ñeàu baèng nhau vaø baèng khaû naêng BX cuûa VĐTĐ”. Trong ñieàu kieän caân baèng nhieät, ñoái vôùi caùc vaät xaùm A=ε p.8
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM 4.3 Trao đổi nhiệt Bức xạ giữa các vật rắn đặt trong môi trường trong suốt A/ HAI TAÁM PHAÚNG ÑAËT SONG SONG B/ HAI VAÄT BOÏC NHAU C/ TAÙC DUÏNG CUÛA MAØNG CHAÉN p.9
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM A/ HAI TẤM PHẲNG ĐẶT SONG SONG Taám 1 coù T1, heä soá haáp thu A1. Taám 2: T2, A2. Dieän tích F1 = F2 = F Naêng löôïng trao ñoåi nhieät BX giöõa hai taám laø: Q12 = Q1hd – Q2hd Vì hai taám coù dieän tích nhö nhau neân coù theå vieát: q12 = E1hd – E2hd (A.1) E1hd = E1 + (1 − A1 )E 2 hd ⎫ trong ñoù ⎬ (a) E 2 hd = E 2 + (1 − A 2 )E1hd ⎭ Giaûi heä PT baäc nhaát (a) seõ tìm ñöôïc E1hd vaø E2hd E1 + (1 − A1 )E 2 ⎫ E1hd = A1 + A 2 − A1A 2 ⎪ ⎪⎪ ⎬ (b) E 2 + (1 − A 2 )E1 ⎪ E 2 hd = ⎪ A1 + A 2 − A1A 2 ⎪⎭ p.10
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM Thay E1hd vaø E2hd töø PT (b) vaøo PT (A.1): A 2 E1 − A 1 E 2 (c) q12 = A1 + A 2 − A1A 2 Maët khaùc, theo ñònh luaät Stefan – Boltzmann thì: 4 ⎛ T2 ⎞ 4 ⎛ T ⎞ E 1 = ε1C o ⎜ 1 ⎟ E 2 = ε 2Co ⎜ ⎟ ⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ vaø theo ÑL Kirchhoff: A = ε ; Thay chuùng vaøo PT (c) ñöôïc: Co ⎡⎛ T1 ⎞ 4 ⎛ T2 ⎞ 4 ⎤ q12 = ⎢⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎥ 1 1 100 100 + − 1 ⎢⎣⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎥⎦ 1 ε1 ε 2 ε12 = 1 1 Q 12 ⎡⎛ T ⎞ 4 ⎛ T ⎞ 4 ⎤ + −1 Hoaëc q 12 = = ε 12 C o ⎢⎜ 1 ⎟ − ⎜ 2 ⎟ ⎥ W m2 ε1 ε 2 F ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦ laø ñoä ñen cuûa heä p.11
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM 1 ⎡⎛ T1 ⎞ 4 ⎛ T2 ⎞ 4 ⎤ ε12 = Töø CT q12 = ε12 C o ⎢⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎥ với 1 1 100 100 + −1 ⎣⎢⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎥⎦ ε1 ε 2 E o1 − E o 2 q12 = ⎛ 1 1⎞ ⎛ 1 1⎞ ⎜⎜ − ⎟⎟ + ⎜⎜ − ⎟⎟ ⎝ ε1 2 ⎠ ⎝ ε 2 2 ⎠ Söû duïng khaùi nieäm nhieät trôû: ⎛1 1⎞ nhieät trôû böùc xaï beà maët R=⎜ − ⎟ ⎝ε 2⎠ taám phaúng. Sô ñoà maïng nhieät trôû böùc xaï cuûa hai taám phaúng song song p.12
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM B/ HAI VẬT BỌC NHAU vaät 1 coù dieän tích BM F1, nhieät ñoä T1, heä soá haáp thu A1, vaät 2: F2, T2, A2. Vì F1 ≠ F2 neân khoâng tính q12 maø tính doøng böùc xaï Q12. Ñaëc ñieåm: Toaøn boä Q1hd cuûa vaät 1 ñeàu rôi leân 2, ngöôïc laïi chæ moät phaàn NLBX hieäu duïng cuûa 2 laø ϕ21Q2hd laø rôi leân 1, phaàn coøn laïi (1 –ϕ21)Q2hd thì leân chính baûn thaân vaät 2. Naêng löôïng TĐN BX giöõa 2 vaät: ϕ21: heä soá goùc Q12 = Q1hd − ϕ21Q 2 hd (*) Trong ñoù Q1hd = Q1 + (1 − A1 ) ϕ 21Q 2 hd ⎫ ⎪ (1) ⎬ Q 2 hd = Q 2 + (1 − A 2 ) Q1hd + (1 − A 2 )(1 − ϕ 21 ) Q 2 hd ⎪⎭ p.13
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM 4 ⎛ T1 ⎞ ⎫ ÔÛ ñaây Q 1 = E 1 F1 = ε 1 C o ⎜ ⎟ F1 ⎪ ⎝ 100 ⎠ ⎪ ⎬ (2) 4 ⎛ T ⎞ ⎪ Q 2 = E 2 F2 = ε 2 C o ⎜ 2 ⎟ F2 ⎪ ⎝ 100 ⎠ ⎭ Thay (2) vaøo (1) vaø giaûi heä (1) tìm ñöôïc Q1hd , Q2hd ; thay vaøo (*): Co ⎡ ⎛ T ⎞4 ⎛ T ⎞ 4 ⎤ 1 2 Q 12 = ⎢F1 ⎜ ⎟ − ϕ 21 F2 ⎜ ⎟ ⎥ (3) 1 ⎛ 1 ⎞ ⎢ ⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦ + ϕ 21 ⎜⎜ − 1⎟⎟ ⎣ ε1 ⎝ ε2 ⎠ Ñeå tìm ϕ21, xeùt ĐK caân baèng nhieät ñoäng (T1 = T2 = T): Q12 = 0: 4 4 ⎛ T ⎞ ⎛ T ⎞ F1 ⎜ ⎟ − ϕ F 21 2 ⎜ ⎟ =0 ⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ F1 Ruùt ra F1 − ϕ 21 F2 = 0 → ϕ 21 = F2 Heä soá goùc ϕ21 thuaàn tuùy mang tính chaát hình hoïc, khoâng phuï thuoäc baûn chaát vaät lyù cuûa vaät. p.14
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM C o F1 ⎡⎛ T ⎞ 4 ⎛ T ⎞ 4 ⎤ Q 12 = ⎢⎜ 1 ⎟ − ⎜ 2 ⎟ ⎥ Thay ϕ21 vaøo PT (3): 1 F1 ⎛ 1 ⎞ ⎢⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦ + ⎜⎜ − 1⎟⎟ ⎣ ε 1 F2 ⎝ ε 2 ⎠ 1 ⎡⎛ T ⎞ 4 ⎛ T ⎞ 4 ⎤ Kyù hieäu ε12 = Thì 1 F1 ⎛ 1 + ⎜⎜ − 1⎟⎟ ⎞ Q 12 = ε 12 C o F1 ⎢⎜ 1 ⎟ − ⎜ 2 ⎟ ⎥ ε1 F2 ⎝ ε 2 ⎠ ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦ Tröôøng hôïp ñaëc bieät: • Khi F1
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM C/ TÁC DỤNG CỦA MÀNG CHẮN Maøng chaén: ngaên BXN, coù heä soá phaûn xaï lôùn (laù nhoâm, ñoàng moûng ñaùnh boùng). Do MC phaûn xaï ngöôïc vôùi phöông truyeàn nhieät neân doøng nhieät h/quaû bò giaûm. Xeùt 2 taám phaúng song song, giöõa chuùng ñaët moät MC coù εc vaø Tc. Co • Khi khoâng coù MC q12 = [U1 − U 2 ] ⎛ 1 1⎞ ⎛ 1 1⎞ ⎜⎜ − ⎟⎟ + ⎜⎜ − ⎟⎟ ⎝ ε1 2 ⎠ ⎝ ε 2 2 ⎠ ⎡⎛ T1 ⎞ 4 ⎛ T2 ⎞ 4 ⎤ C o ⎢⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎥ • Khi coù MC q12 = ⎣⎢⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎦⎥ E01 − E02 Toång quaùt: q12 = ⎛ 1 1⎞ ⎛ 1 1⎞ ⎛ 1 1⎞ ⎜⎜ − ⎟⎟ + 2⎜⎜ − ⎟⎟ + ⎜⎜ − ⎟⎟ ⎝ ε1 2 ⎠ ⎝ ε c 2 ⎠ ⎝ ε 2 2 ⎠ ∑ Rbx p.16
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM Nhaän xeùt: ⎛ ⎞ 1 • Neáu ε1 = ε2 = εc = ε thì khi coù 1 maøng chaén, NL BX giaûm coøn moät nöûa ⎜ q 12 c = q 12 ⎟ ⎝ 2 ⎠ • Khi soá MC laø n thì BX giaûm (n + 1) laàn. • Taùc duïng cuûa MC caøng lôùn (giaûm nhieàu laàn) neáu εci caøng nhoû. • Vò trí MC khoâng coù aûnh höôûng ñeán taùc duïng cuûa noù. Tröôøng hôïp n maøng chaén coù ñoä ñen khaùc nhau: ⎡⎛ T1 ⎞ 4 ⎛ T2 ⎞ 4 ⎤ ⎡⎛ T ⎞ ⎛ T ⎞ ⎤ 4 4 C o ⎢⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎥ Co ⎢⎜ 1 ⎟ − ⎜ 2 ⎟ ⎥ ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦ q12 = ⎣⎢⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎦⎥ = ⎛ 1 1⎞ n ⎛ 1 1⎞ ⎛ 1 1⎞ ⎡⎛ 1 1 ⎞ n ⎛ 2 ⎞⎤ ⎜⎜ − ⎟⎟ + ∑ 2⎜⎜ − ⎟⎟ + ⎜⎜ − ⎟⎟ ⎜ ⎢⎜ ε + ε − 1 ⎟ ∑⎜ ε ⎟ + ⎜ − 1 ⎟⎟⎥ ⎝ ε1 2 ⎠ i =1 ⎝ ε ci 2 ⎠ ⎝ ε 2 2 ⎠ ⎣⎝ 1 2 ⎠ i =1 ⎝ ci ⎠⎦ ¾ Maøng chaén giöõa 2 vaät boïc nhau: MC caøng gaàn BM trong F1 thì caøng hieäu quaû. p.17
Người soạn: TS. Hà anh Tùng 8/2009 ĐHBK tp HCM CHẮN MÀ KHÔNG BỊ CHẶN !!! p.18