Truyền nhiệt - Chương 5

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:21

Thêm vào BST

Báo xấu

99
lượt xem 27
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ Wednesday, November 19, 2008 TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG SUỐT § 5.1. Các Khái Niệm Cơ Bản Một vật bất kỳ có nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối ( 0 K) thì luôn có sự biến đổi nội năng của vật thành năng lượng sóng điện từ, các sóng này truyền đi trong không gian theo mọi phương với tốc độ ánh sáng và với mọi bước sóng có chiều dài O 0 y f Ta có biểu thức mô tả quan hệ giữa chiều dài bước sóng O, tần số Q và tốc độ...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Truyền nhiệt - Chương 5

http://www.ebook.edu.vn Moãi photon coù taàn soá Q mang naêng löôïng theo Max Chöông V TRAO ÑOÅI NHIEÄT BÖÙC XAÏ Planck nhö sau Wednesday, November 19, 2008 TRONG MOÂI TRÖÔØNG TRONG SUOÁT hc e hQ ,J (5-3) O § 5.1. Caùc Khaùi Nieäm Cô Baûn 6,6256.10 34 J s goïi laø haèng soá Planck Vôùi h Moät vaät baát kyø coù nhieät ñoä lôùn hôn ñoä khoâng tuyeät ñoái Bieåu thöùc treân theå hieän raèng böôùc soùng caøng ngaén thì ( 0 K) thì luoân coù söï bieán ñoåi noäi naêng cuûa vaät thaønh naêng mang naêng löôïng caøng lôùn löôïng soùng ñieän töø, caùc soùng naøy truyeàn ñi trong khoâng Vaät coù nhieät ñoä lôùn hôn ñoä khoâng tuyeät ñoái thì coù khaû gian theo moïi phöông vôùi toác ñoä aùnh saùng vaø vôùi moïi naêng phaùt ra caùc tia böùc xaï nhieät, nhöng ñoàng thôøi noù böôùc soùng coù chieàu daøi O 0 y f cuõng coù khaû naêng haáp thuï böùc xaï töø caùc vaät khaùc chieáu Ta coù bieåu thöùc moâ taû quan heä giöõa chieàu daøi böôùc ñeán. Quaù trình phaùt xaï vaø haáp thuï luoân dieãn ra ñoàng thôøi, soùng O, taàn soá Q vaø toác ñoä lan truyeàn soùng c trong moâi vaø ta goïi laø quaù trình trao ñoåi nhieät baèng böùc xaï. tröôøng khaûo saùt bôûi James Clerk Maxwell Xeùt heä goàm 2 vaät trao ñoåi nhieät böùc xaï vôùi nhau: c O x Neáu nhieät ñoä chuùng baèng nhau, thì moãi vaät seõ haáp ,m (5-1) Q thuï vaø phaùt xaï löôïng nhieät baèng nhau, ta goïi heä ôû Toác ñoä lan truyeàn cuûa soùng trong moâi tröôøng ñang traïng thaùi caân baèng (caân baèng ñoäng) khaûo saùt coù quan heä vôùi toác ñoä aùnh saùng trong chaân x Neáu vaät coù nhieät ñoä khaùc nhau, vaät coù nhieät ñoä khoâng nhö sau lôùn hôn seõ phaùt xaï löôïng nhieät lôùn hôn löôïng nhieät co c ,ms (5-2) maø noù haáp thuï, nhö vaäy xeùt toång nhieät löôïng thì n noù ñang truyeàn nhieät cho vaät kia coù nhieät ñoä thaáp 2,9979.10 8 m s vaän toác aùnh saùng trong chaân khoâng co hôn, nhö vaäy ñuùng vôùi quy luaät truyeàn nhieät: nhieät löôïng ñi töø nôi coù nhieät ñoä cao ñeán nôi coù nhieät ñoä n - goïi laø chieát suaát cuûa moâi tröôøng, thaáp n ~ 1 ñoái vôùi khoâng khí vaø haàu heát chaát khí n ~ 1,5 trong tröôøng hôïp kính n ~ 1,33 cho tröôøng hôïp nöôùc Nguyeãn toaøn phong 1 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 2 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
http://www.ebook.edu.vn Khaû naêng haáp thuï caùc böôùc soùng ñieän töø cuûa vaät coù § 5.2. Caùc Ñònh Nghóa Cô Baûn tính choïn loïc, khaû naêng haáp thuï lôùn nhaát ñoái vôùi caùc böôùc 5.2.1 Doøng böùc xaï toaøn phaàn Q [W] soùng trong khoaûng O 0,4 y 40 Pm (ñeå bieán thaønh nhieät Laø naêng löôïng böùc xaï phaùt ra treân beà maët F cuûa vaät naêng), chuùng ñöôïc goïi laø caùc tia nhieät. trong moät ñôn vò thôøi gian treân toaøn boä khoâng gian nöûa Quaù trình phaùt sinh vaø truyeàn nhöõng tia nhieät ñöôïc goïi baùn caàu öùng vôùi taát caû caùc böôùc soùng O 0 y f laø quaù trình böùc xaï nhieät. 5.2.2 Doøng böùc xaï ñôn saéc Q O [W/m] Laø doøng böùc xaï chæ xeùt öùng vôùi moät daõi heïp böôùc soùng töø O ñeán O dO (treân khoâng gian nöûa baùn caàu) 5.2.3 Khaû naêng böùc xaï baùn caàu E [W/m2] Hay coøn goïi maät ñoä böùc xaï baùn caàu, laø doøng böùc xaï toaøn phaàn phaùt ra treân moät ñôn vò dieän tích GQ , W m2 E (5-4) dF GQ laø doøng böùc xaï toaøn phaàn (naêng löôïng böùc xaï baùn caàu) phaùt ra töø beà maët nhaân toá dF Do ñoù: ³ E dF , W Q (5-5) F Neáu treân toaøn beà maët coù maät ñoä böùc xaï ñoàng ñeàu vaø khoâng thay ñoåi thì: E F, W Q (5-6) Nguyeãn toaøn phong 3 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 4 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
http://www.ebook.edu.vn DG UG WG 5.2.4 Khaû naêng böùc xaï ñôn saéc EO [W/m3] DUW 1 (5-9) Hay coøn goïi cöôøng ñoä böùc xaï ñôn saéc o laø maät ñoä böùc G GG xaï baùn caàu öùng vôùi moät giaûi heïp cuûa chieàu daøi böôùc soùng Trong ñoù DG dE , W m3 D EO (5-7) heä soá haáp thu cuûa vaät dO G UG U 5.2.5 Khaùi nieäm veà caùc heä soá böùc xaï cuûa vaät heä soá phaûn xaï cuûa vaät G Doøng böùc xaï G chieáu ñeán vaät seõ phaân thaønh nhöõng WG W heä soá xuyeân qua cuûa vaät thaønh phaàn sau: G DG - löôïng böùc xaï vaät haáp thu ñöôïc (thaønh nhieät) Caùc heä soá D, U, W khoâng coù thöù nguyeân vaø bieán ñoåi UG - löôïng böùc xaï vaät phaûn xaï laïi moâi tröôøng töø 0 ñeán 1, trò soá cuûa chuùng phuï thuoäc vaøo baûn chaát vaät lyù WG - löôïng böùc xaï ñi xuyeân qua vaät cuûa vaät, nhieät ñoä, vaø chieàu daøi böôùc soùng maø vaät ñoù phaùt ñi Nhö vaäy ta coù caùc tröôøng hôïp sau: U W 0
D1 o vaät coù khaû naêng haáp thu toaøn boä naêng löôïng böùc xaï chieáu tôùi noù vaø ñöôïc goïi laø vaät ñen tuyeät ñoái D W 0
U1 o vaät seõ phaûn xaï toaøn boä naêng löôïng böùc xaï chieáu tôùi vaø ñöôïc goïi laø vaät traéng tuyeät ñoái (vaät göông) D U 0
W1 o vaät seõ cho xuyeân qua toaøn boä naêng löôïng böùc xaï chieáu tôùi vaø ñöôïc goïi laø vaät trong suoát tuyeät ñoái Trong thöïc teá ta gaëp tröôøng hôïp sau: W0 DG UG WG (5-8) G DU 1 o khaû naêng xuyeân qua baèng khoâng vaø ñöôïc goïi laø vaät ñuïc hoaëc Nguyeãn toaøn phong 5 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 6 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
http://www.ebook.edu.vn § 5.3. Caùc Ñònh Luaät Cô Baûn Cuûa Böùc Xaï Nhieät 5.3.1 Ñònh luaät Plank Ñònh luaät thieát laäp moái quan heä giöõa khaû naêng böùc xaï ñôn saéc cuûa vaät ñen tuyeät ñoái vôùi nhieät ñoä vaø chieàu daøi böôùc soùng: C1 O5 W m3 E oO (5-10) C 2 ( O T ) 1 e Vôùi C1, C2 laø haèng soá Planck thöù nhaát vaø thöù hai 0,3742.10 15 W.m 2 2S.h.c2 C1 o C2 h.co k 1,4388.10 2 m.K O – chieàu daøi böôùc soùng, m T – nhieät ñoä tuyeät ñoái cuûa vaät, K k 1,38065.10 23 J K – haèng soá Boltzmann Coâng thöùc 5-10 ñöôïc bieåu dieãn treân ñoà thò sau: Ñoà thò Maät ñoä doøng ñôn saéc – chieàu daøi böôùc soùng Nguyeãn toaøn phong 7 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 8 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
http://www.ebook.edu.vn Nhaän xeùt 5.3.2 Ñònh luaät Stefan – Boltzmann 0 khi O Ôû moät nhieät ñoä nhaát ñònh, E oO 0 , sau ñoù Ñònh luaät naøy thieát laäp moái quan heä giöõa khaû naêng böùc E oO taêng daàn ñaït ñeán giaù trò cöïc ñaïi ôû chieàu daøi böôùc soùng xaï baùn caàu cuûa vaät ñen tuyeät ñoái phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä. O m , sau ñoù E oO giaûm daàn ñeán 0 khi O o f . f ³ E oO d O Vo T 4 W m 2 Eo (5-12) Nhieät ñoä caøng cao böùc xaï caøng maïnh, ôû khoaûng 0 nhieät ñoä thöôøng gaëp trong kyõ thuaät, naêng löôïng böùc xaï V o haèng soá chæ phuï thuoäc vaøo ñôn vò ño löôøng, chuû yeáu taäp trung ôû giaûi böôùc soùng O 0,8 y 10
Pm trong heä SI Nhieät ñoä caøng taêng thì giaù trò cöïc ñaïi O m cuûa quang 5,67.10 8 W (m 2 .K 4 ) Vo (5-13) phoå caøng dòch veà phía böôùc soùng ngaén theo Ñònh luaät Vien Om T Khaû naêng böùc xaï baùn caàu chính laø dieän tích giôùi haïn 2,8978 mm.K (5-11) bôûi ñöôøng cong theå hieän treân ñoà thò sau Vaät xaùm laø vaät coù quang phoå ñoàng daïng vôùi vaät ñen tuyeät ñoái ôû taát caû caùc böôùc soùng: E O E oO const . Thöïc nghieäm chöùng toû phaàn lôùn vaät lieäu trong kyõ thuaät laø vaät xaùm. Nguyeãn toaøn phong 9 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 10 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
http://www.ebook.edu.vn Trong kyõ thuaät, ñeå thuaän tieän cho tính toaùn ngöôøi ta 5.3.3 Ñònh luaät Kirchhof thöôøng vieát ôû daïng sau: Ñònh luaät naøy thieát laäp moái quan heä giöõa khaû naêng böùc xaï H cuûa vaät vôùi heä soá haáp thuï A. 4 §T· Co ¨ 2 ¸,Wm (5-14) Eo © 100 ¹ Xeùt hai taám phaúng ñaët song song nhö hình veõ vôùi ñaëc ñieåm 2 4 x Kích thöôùc lôùn so vôùi khoaûng caùch Co 5,67 W (m .K ) - heä soá böùc xaï cuûa vaät ñen x Vaät ñen coù nhieät ñoä To, khaû naêng böùc xaï Eo tuyeät ñoái x Vaät xaùm coøn laïi coù nhieät ñoä T1, khaû naêng böùc xaï Trong tröôøng hôïp vaät xaùm, ta coù phöông trình ñoàng E1, heä soá haáp thuï D1 daïng (ñaõ ñöôïc thöïc nghieäm kieåm chöùng) 4 §T· Vaät ñen Vaät xaùm C¨ 2 ¸,Wm (5-15) E © 100 ¹ T1 Eo 0 C C o - heä soá böùc xaï cuûa vaät xaùm To D1 Do=1 Khi so saùnh khaû naêng böùc xaï cuûa vaät xaùm vaø vaät ñen D1.Eo (1-D1).Eo tuyeät ñoái ôû cuøng ñieàu kieän nhieät ñoä nhö nhau, ta ñöôïc moät ñaïi löôïng ñaëc tröng nöõa cuûa vaät goïi laø ñoä ñen H 4 §T· E1 C¨ ¸ © 100 ¹ E C H (5-16) 4 Nhieät löôïng trao ñoåi baèng böùc xaï giöõa 2 taám phaúng laø: §T· Eo Co Co ¨ ¸ q E1 D1 E o © 100 ¹ Ñoä ñen bieán thieân trong khoaûng: 0 H 1 Ôû ñieàu kieän caân baèng nhieät ñoäng: To T1 thì q 0 E1 Phöông trình 5-15 ñöôïc vieát laïi E1 D1 E o Hay 0 Eo D1 4 §T· E H Co ¨ 2 ¸,Wm (5-17) © 100 ¹ Nguyeãn toaøn phong 11 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 12 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
http://www.ebook.edu.vn Thay vaät xaùm 1 baèng vaät xaùm khaùc, xeùt töông töï, ta coù: § 5.4. Cöôøng Ñoä Böùc Xaï (theo phöông) E3 E2 5.4.1 Khaùi nieäm veà goùc khoái Eo Eo ... D2 D3 Goùc khoái cuûa moät dieän tích dS so vôùi moät ñieåm ñöôïc Toång quaùt ta coù: xaùc ñònh theo tyû soá giöõa dieän tích thaúng goùc vôùi ñieåm ñang xeùt cos D.dS vaø khoaûng caùch r2 E1 E2 En f T
... Eo (5-18) dS cos D D1 D2 Dn dZ , sr (5-21) r2 Hay phaùt bieåu thaønh lôøi nhö sau: “Trong ñieàu kieän caân baèng nhieät ñoäng, tyû soá giöõa khaû naêng böùc xaï vaø heä soá haáp thuï cuûa vaät xaùm ñeàu baèng nhau vaø baèng khaû naêng böùc xaï cuûa vaät ñen tuyeät ñoái Eo” Ta coù: 4 §T· C¨ ¸ © 100 ¹ E HD (5-19) 4 §T· Eo Co ¨ ¸ © 100 ¹ Ñieàu naøy khaúng ñònh: vaät coù khaû naêng haáp thuï maïnh thì cuõng coù khaû naêng böùc xaï maïnh. Tröôøng hôïp goùc ñaëc cuûa moät khoái caàu Caùc coâng thöùc treân thaønh laäp cho khaû naêng böùc xaï baùn S 2S caàu, vaø cuõng ñuùng cho tröôøng hôïp cuûa khaû naêng böùc xaï ³ sin T dT ³ dI 4S , sr Z (5-22) ñôn saéc: 0 0 E1O E2O E oO f O, T
Tröôøng hôïp baùn caàu ... Eo (5-20) D1O D 2O D oO S2 2S ³ sin T dT ³ dI 2S , sr Z (5-23) 0 0 Nguyeãn toaøn phong 13 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 14 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
http://www.ebook.edu.vn Neáu xem cöôøng ñoä böùc xaï theo phöông tröïc tuyeán laø 5.4.2 Böùc Xaï Theo Phöông haèng soá, noù seõ ñöôïc xaùc ñònh nhö sau Coâng thöùc xaùc ñònh maät ñoä böùc xaï theo 5-4 ñöôïc tính S2 2S trung bình theo taát caû caùc phöông, trong phaàn naøy ta xaùc I n ³ cos T sin T dT ³ dI S.I n , W m 2 (5-26) E ñònh cöôøng ñoä böùc xaï phuï thuoäc theo phöông 0 0 Tröôøng hôïp vaät ñen E o T
Vo T 4 I b T
, W m2 (5-27) S S Cöôøng ñoä böùc xaï theo phöông I e T, I
laø tyû soá naêng löôïng böùc xaï phaùt ra öùng vôùi moät ñôn vò dieän tích vaø moät ñôn vò goùc ñaëc theo phöông naøy dQ e I e T, I
dA cos T dZ , W (m 2 sr) (5-24) dQ e dA cos T sin T dT dI Vaø böùc xaï treân moät ñôn vò dieän tích ñöôïc xaùc ñònh dQ e I e T, I
cos T sin T dT dI , W m 2 dE (5-25) dA Nguyeãn toaøn phong 15 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 16 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
http://www.ebook.edu.vn Nhieät löôïng trao ñoåi giöõa hai phaân toá beà maët § 5.5. Trao Ñoåi Nhieät Böùc Xaï Q dA12 Q dA1 odA 2 Q dA 2 odA1 Giöõa Hai Beà Maët Ñen (5-29) E 01 E 02 cos T1 cos T2 dA1 dA 2 5.5.1 Khaùi nieäm heä soá goùc S r2 Xeùt trao ñoåi nhieät giöõa hai maët sau Tích phaân phöông trình 5-29 treân toaøn dieän tích A1 vaø A2 ta ñöôïc naêng löôïng trao ñoåi böùc xaï giöõa hai beà maët nhìn thaáy nhau E 01 E 02