Chương 10: Bức xạ nhiệt Trang 87 Chương 10: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỨC XẠ 10.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT Một vật nhiệt độ (lớn 0°K) có biến đổi nội vật lượng sóng điện từ, sóng truyền không gian theo phương với vận tốc ánh sáng có chiều dài bước sóng λ = ÷ ∞ Tùy theo chiều dài bước sóng mà người ta phân loại: Dạng xạ Tia vũ trụ Tia Gama Tia Rơnghen Tia tử ngoại Tia sáng Tia hồng ngoại Sóng vô tuyến điện Chiều dài bước sóng 0,05.10- µ (0,5 ÷ 1,0).10- µ 10- ÷ 20.10-3 µ 20.10-3 ÷ 0,4 µ 0,4 ÷ 0,8 µ 0,8 ÷ 400 µ 0,2 mm ÷ X km Trong kỹ thuật nhiệt người ta quan tâm đến tia mà nhiệt độ thường gặp chúng có hiệu ứng nhiệt cao (nghĩa vật hấp thu biến thành nhiệt năng) Qua nghiên cứu, tia có bước sóng khoảng λ = 0,4 ÷ 40 µ có hiệu ứng nhiệt tương đối cao, tia gọi tia nhiệt Quá trình phát sinh truyền tia gọi trình xạ nhiệt Đặc điểm trình xạ nhiệt gắn liền với việc chuyển hóa lượng từ dạng sang dạng khác Khi xạ, nhiệt (nội năng) vật biến thành lượng sóng điện từ truyền không gian với vận tốc ánh sáng, gặp vật khác phần (hoặc toàn bộ) lượng bị hấp thu biến thành nhiệt Năng lượng hấp thu phần lại phát trở lại dạng lượng sóng điện từ trình tiếp tục Như vậy, vật không gian luôn vừa hấp thụ xạ, vừa phát lượng xạ môi trường xung quanh Nếu hệ gồm vật trạng thái cân nhiệt động vật hệ xạ lượng cho đồng thời hấp thu lượng xạ trị số lượng xạ lượng hấp thu Trong trường hợp vật hệ có nhiệt độ khác vật có nhiệt độ cao truyền lượng cho vật có nhiệt độ thấp số lượng nhận hiệu số lượng nhận lượng Quá trình trao đổi nhiệt tương hỗ vật phương thức xạ nhiệt gọi trình trao đổi nhiệt xạ Đặc điểm trình cường độ trình phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ mà phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối vật Nếu nhiệt độ vật cao (trong trường hợp có hiệu nhiệt độ) lượng nhiệt trao đổi xạ lớn Ngoài khác với dẫn nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu, trao đổi nhiệt xạ không cân tiếp xúc trực tiếp tiến hành vật chân không 10.2 CÁC ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN CỦA BỨC XẠ NHIỆT Trường ĐHCN Tp HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 10: Bức xạ nhiệt Trang 88 - Dòng xạ toàn phần Q [W]: lượng xạ phát bề mặt F vật đơn vị thời gian toàn không gian bán cầu ứng với tất bước sóng từ đến ∞ - Dòng xạ đơn sắc Q λ [W]: dòng xạ xét với dải hẹp khoảng bước sóng từ λ đến (λ + dλ) - Khả xạ bán cầu (mật độ xạ bán cầu) vật E [W/m²]: dòng xạ toàn phần đơn vị diện tích dQ [W/m²] (10.1) E= dF dQ - dòng xạ toàn phần (dòng xạ bán cầu) phát từ bề mặt nhân tố dF Q = ∫ EdF đó: F [W] (10.2) Nếu toàn bề mặt có mật độ xạ đồng không thay đổi thì: Q = EF [W] (10.3) - Cường độ xạ đơn sắc Eλ [W/m3]: mật độ xạ bán cầu ứng với dải hẹp chiều dài bước sóng: dF [W/m3] (10.4) Eλ = dλ - Bức xạ vật phát sinh thay đổi trạng thái lượng vật gọi xạ thân vật Trạng thái phụ thuộc vào chất vật lý nhiệt độ vật Trong thiên nhiên thiết bị trao đổi nhiệt, vật khảo sát không dạng cô lập mà có tác động tương hỗ với nhiều vật khác, lượng xạ thân vật phản xạ phần (hoặc toàn phần) lượng vật khác chiếu lên Xét dòng lượng xạ từ bên chiếu đến vật khảo sát Q0, nós bị hấp thu phần QA để biến thành nhiệt, phần bị vật phản xạ lại QR, phần xuyên qua vật QD Ta có: Hình 10.1: Sơ đồ phân bố dòng xạ Qο = QA + QR + QD (10.5) QA QR QD + + = A +R +D =1 Qο Qο Qο hoặc: đó: A= QA - hệ số hấp thu vật Qο R= QR - hệ số phản xạ vật Qο D= QD - hệ số xuyên qua vật Qο Trường ĐHCN Tp HCM (10.6) Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 10: Bức xạ nhiệt Trang 89 Các hệ số A, R, D thứ nguyên biến đổi từ đến 1, trị số chúng phụ thuộc vào chất vật lý vật, nhiệt độ chiều dài bước sóng mà vật phát - Nếu A = (D = R = 0): vật có khả hấp thu toàn lượng xạ chiếu tới gọi vật đen tuyệt đối - Nếu R = (A = D = 0): vật phản xạ toàn lượng xạ tới gọi vật trắng tuyệt đối (vật gương) - Nếu D = (A = R = 0): vật cho xuyên qua toàn lượng xạ tới gọi vật suốt tuyệt đối Trong thiên nhiên vật đen tuyệt đôi, trắng tuyệt đối tuyệt đối Đối với kỹ thuật để tăng cường khả hấp thu người ta thường quét lên bề mặt vật lớp sơn màu tối có pha hồ bóng, tạo bề mặt vật có hệ số hấp thu A ≈ 0,96 Không khí coi D = Đối với vật rắn thường gặp kỹ thuật coi D = A + R = 1: gọi vật đục Hình 10.2: Sơ đồ nguyên lý thành phần xạ Giả sử có vật đục (Hình 10.2), thân vật phát lượng xạ gọi E1 (bức xạ thân), lượng xạ từ vật xung quanh chiếu lên E t (bức xạ tới), lượng bị hấp thu phần A 1Et, phần lại (1 – A 1)Et bị phản xạ trở lại Như lượng xạ thực tế chiếu từ bề mặt xét là: Ehd = E1 + (1 – A1)Et (10.7) Ehd - khả xạ hiệu dụng Năng lượng xạ mà vật trao đổi thực với môi trường xung quanh là: q1 = E1 – A1Et = Ekq (12.8) Ekq - suất xạ kết 10.3 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA BỨC XẠ NHIỆT Trong tất tính toán nhiệt xạ, người ta thường chọn vật đen tuyệt đối làm vật sở để thiết lập định luật phương trình tính toán 10.3.1 Định luật Plank Năm 1902, Plank thiêt lập mối quan hệ khả xạ đơn sắc vật đen tuyệt nhiệt độ chiều dài bước sóng: E0λ = đây: C1 λ − (10.9) e C / λT − C1 C2 - số Plank thứ thứ hai Trường ĐHCN Tp HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 10: Bức xạ nhiệt Trang 90 C1 = 0,374.10-15 [W.m2] C2=1,44.10-2 [m°K] λ - chiều dài bước sóng, [m] T - nhiệtđộ tuyệt đối, [°K] Chỉ số ‘0’ biểu thị vật khảo sát vật đen tuyệt đối Nhiệt độ cao khả xạ mạnh, khoảng nhiệt độ thường gặp kỹ thuật, lượng xạ chủ yếu tập trung dải bước sóng: λ = 0,8 – 10 µ Nhiệt độ tăng giá trị cực đại λm quang phổ dịch phía bước sóng ngắn, quan T λm xác định định luật Vien: λm T = 2,9 [m°K] (10.10) λm - chiều dài bước sóng [m] tương ứng với khả xạ đơn sắc cực đại nhiệt độ T [°K] 10.3.2 Định luật Stefan - Boltzmann Định luật thiết lập quan hệ khả xạ bán cầu vật đen tuyệt đối phụ thuộc vào nhiệt độ: ∞ E ο = ∫ E ολ dλ (10.11) E ο = σ ο T [W/m²] (10.12) tìm được: σ0 = 5,67.10-8 [W/m² °K4]- số xạ vật đen tuyệt đối - Trong kỹ thuật, để tiện tính toán ta dùng công thức sau:  T  [W/m²] (10.13) E0 = C0    100  Hằng số: C0 = 5,67 [W/m² °K4] - gọi hệ số xạ vật đen tuyệt đối - Đối với vật xám, nhiệt lượng xạ có dạng phương trình :  T  E = C.   100  [W/m²] (10.14) C - hệ số xạ vật xám < C < C Nó thay đổi tùy theo chất, trạng thái bề mặt nhiệt độ vật nghiên cứu - Khi so sánh khả xạ vật xám vật đen tuyệt đối cúng điều kiện nhiệt độ nhau, ta dùng độ đen vật ε: E C ε= = (10.15) E0 C0 Giá trị độ đen thay đổi từ đến (0 < ε