Embed Size (px)
Citation preview
Chương 4: Trao đổi nhiệt bằng Bức xạ
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.1p.1
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 môitrường trong suốt
Hai tấm phẳng đặt song song
Hai vật bọc nhau
Tác dụng của màn chắn
4.1 4.1 Khái niệm chung vềKhái niệm chung về BỨC XẠ NHIỆTBỨC XẠ NHIỆT
ĐN: 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
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.2p.2
Tính chất của năng lượng bức xạTính 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
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.3p.3
A White sifaka Lemur
To warm up in the morning, they turn their dark bellies toward the sun.
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.4p.4
Các thành phần của năng lượng bức xạ
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.5p.5
Qo: doøng chieáu ñeán; QA: haáp thu ;QR: phaûn xaï; QD: xuyeân qua
DRAo QQQQ ++=
Hoaëc 1=++=++ DRAQQ
o
D
o
R
o
A
A, R, D: heä soá haáp thu, phaûn xaï, xuyeân qua; trò soá 0 ñeán 1, phuï thuoäc vaøobaûn 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
Xét 1 vật đục : có nhiệt độ T1, hệ số hấp thu A1
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.6p.6
E1
E2
=+
A1*E2
E1 + (1-A1)E2
=
Vật 1
(Ehd gọi là khả năng bức xạ hiệu dụng của vật)
- Vật 1 phát ra tổng cộng năng lượng bức xạ là:
Ehd = E1 + (1-A1)E2 (W/m2)
- Năng lượng bức xạ mà vật 1 trao đổi với môi trường xung quanh là:
q = E1 --A1E2 (W/m2)
4.2 Các định luật cơ bản về Bức xạ nhiệt
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.7p.7
ĐL Stefan-Boltzmann:
với Co = 5,67 W/m2.K4 là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
với ε = C/Co (0 < ε < 1) gọi là ĐỘ ĐEN của vật
- Khả năng bức xạ bán cầu của vật đen tuyệt đối là:4
100⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
TCE oo (W/m2)
- Đối với vật xám : 44
100100⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
TCTCE oε (W/m2)
ĐL Kirchhoff
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.8p.8
Xeùt 2 taám phaúng ñaët song song, taám 1 laøvật đen tuyệt đối, taám 2 laø vaät xaùm.
NL trao ñoåi baèng BX giöõa 2 taám: o11 EAEq −=
ÔÛ ĐK caân baèng nhieät ñoäng (To = T1) thì q = 0 neân:
0EAE o11 =−
“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
Thay vaät xaùm 1 baèng caùc vaät xaùm khaùc, toång quaùt:
( )TfEAE
AE
AE
on
n
2
2
1
1 ===== K
o1
1 EAE
=
4.3 Trao đổi nhiệt Bức xạ giữa các vật rắn đặt trongmôi trường trong suốt
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.9p.9
A/ HAI TAÁM PHAÚNG ÑAËT SONG SONG
B/ HAI VAÄT BOÏC NHAU
C/ TAÙC DUÏNG CUÛA MAØNG CHAÉN
Taám 1 coù T1, heä soá haáp thu A1. Taám 2: T2, A2. Dieän tích F1 = F2 = FNaêng 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)
trong ñoù⎭⎬⎫
−+=−+=
hdhd
hdhd
E)A(EEE)A(EE
1222
2111
11
(a)
Giaûi heä PT baäc nhaát (a) seõ tìm ñöôïc E1hd vaø E2hd
⎪⎪⎪
⎭
⎪⎪⎪
⎬
⎫
−+−+
=
−+−+
=
2121
1222
2121
2111
1
1
AAAAE)A(EE
AAAAE)A(EE
hd
hd
(b)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.10p.10
A/ HAI TẤM PHẲNG ĐẶT SONG SONG
Thay E1hd vaø E2hd töø PT (b) vaøo PT (A.1):
2121
211212 AAAA
EAEAq−+
−= (c)
Maët khaùc, theo ñònh luaät Stefan – Boltzmann thì:
41
11 100⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ε=
TCE o
42
22 100⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ε=
TCE o
vaø theo ÑL Kirchhoff: A = ε ; Thay chuùng vaøo PT (c) ñöôïc:
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
−ε
+ε
=4
24
1
21
12 100100111TTCq o
Hoaëc⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ε==4
24
1o12
1212 100
T100T
CF
2mW
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.11p.11
1111
21
12
−ε
+ε
=ε
laø ñoä ñen cuûa heä
Söû duïng khaùi nieäm nhieät trôû:
nhieät trôû böùc xaï beà maëttaám phaúng.
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −=
211
εR
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
−=
211
211
21
2112
εε
oo EEq
Sô ñoà maïng nhieät trôû böùc xaïcuûa hai taám phaúng song song
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ε=
42
41
1212 100100TTCq oTöø CT 111
1
21
12
−ε
+ε
=εvới
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.12p.12
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 rôileân 2, ngöôïc laïi chæ moät phaàn NLBX hieäuduïng cuûa 2 laø ϕ21Q2hd laø rôi leân 1, phaàn coøn laïi(1 –ϕ21)Q2hd thì leân chính baûn thaân vaät 2.
ϕ21: heä soá goùc
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.13p.13
Trong ñoù ( )
( ) ( )( ) ⎪⎭
⎪⎬
⎫
ϕ−−+−+=
ϕ−+=
hdhdhd
hdhd
Q AQ AQQ
QAQQ
22121222
221111
111
1(1)
Naêng löôïng TĐN BX giöõa 2 vaät:
hd221hd112 QQQ ϕ−= (*)
B/ HAI VẬT BỌC NHAU
Ñeå tìm ϕ21, xeùt ĐK caân baèng nhieät ñoäng (T1 = T2 = T): Q12 = 0:
0100
TF100
TF4
221
4
1 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ϕ−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
Ruùt ra 0FF 2211 =ϕ−2
121 F
F=ϕ→
Heä soá goùc ϕ21 thuaàn tuùy mang tính chaát hình hoïc, khoâng phuï thuoäc baûn chaát vaätlyù cuûa vaät.
ÔÛ ñaây
⎪⎪
⎭
⎪⎪
⎬
⎫
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ε==
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ε==
2
42
2222
1
41
1111
100
100
FTCFEQ
FTCFEQ
o
o
(2)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.14p.14
Thay (2) vaøo (1) vaø giaûi heä (1) tìm ñöôïc Q1hd , Q2hd ; thay vaøo (*):
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ϕ−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
εϕ+
ε
=4
2221
41
1
221
1
o12 100
TF
100T
F111
CQ (3)
Thay ϕ21 vaøo PT (3): ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
ε+
ε
=4
24
1
22
1
1
1o12 100
T100T
11FF1
FCQ
Kyù hieäu ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
ε+
ε
=ε11
FF1
1
22
1
1
12 Thì
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ε=4
24
11o1212 100
T100T
FCQ
Tröôøng hôïp ñaëc bieät:
• Khi F1 << F2 (töùc F1/F2 ≈ 0)
( )2111
42
41
o1112 EEF100T
100T
CFQ −ε=⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ε=′
ñoä ñen ε2 khoâng aûnh höôûng ñeán Q’12.
• Khi F1 ≈ F2 (töùc F1/F2 = 1): tröôøng hôïp 2 taám phaúng song song
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.15p.15
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.
• Khi khoâng coù MC [ ]21
21
12
211
211
UUCq o −
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
ε+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
ε
=
• Khi coù MC
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
ε+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
ε+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
ε
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
=
211
2112
211
100100
21
42
41
12
c
oTTC
q Toång quaùt:∑
−=
bxREEq 0201
12
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.16p.16
C/ TÁC DỤNG CỦA MÀNG CHẮN
Nhaän xeùt:
• Neáu ε1 = ε2 = εc = ε thì khi coù 1 maøng chaén, NL BX giaûm coøn moät nöûa ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ = 12c12 q
21q
• 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.
Maøng chaén giöõa 2 vaät boïc nhau: MC caøng gaàn BM trong F1 thì caøng hieäu quaû.
∑=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
ε+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
ε+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
ε
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
=n
i ci
oTTC
q
1 21
42
41
12
211
2112
211
100100
Tröôøng hôïp n maøng chaén coù ñoä ñen khaùc nhau:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
ε+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
ε+
ε
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
=
∑=
n
i ci
oTTC
121
42
41
12111
100100
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.17p.17
CHẮN MÀ KHÔNG BỊ CHẶN !!!
Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM
8/2009
p.18p.18
