Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 4: Trao đổi nhiệt bằng Bức xạ - Hà Anh Tùng
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
Chương 4: 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
ĐHBK tp HCM
8/2009
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
ĐHBK tp HCM
8/2009
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
ĐHBK tp HCM
8/2009
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
ĐHBK tp HCM
8/2009
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
+ + = A+ R + D =1
Qo Qo Qo
Hoaëc
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
ĐHBK tp HCM
8/2009
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
(W/m2)
Vật 1
Ehd = E1 + (1-A1)E2
=
(Ehd gọi là khả năng bức xạ
hiệu dụng của vật)
E1 + (1-A1)E2
E1
- Năng lượng bức xạ mà vật 1 trao đổi với
môi trường xung quanh là:
(W/m2)
q = E1 --A1E2
p.6
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
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
⎛ ⎞
(W/m2)
Eo = C
o ⎜ ⎟
100
⎝ ⎠
với Co = 5,67 W/m2.K4 là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
4
4
T
T
⎛ ⎞
⎛ ⎞
(W/m2)
- Đối với vật xám :
E = C
= ε C
⎜ ⎟
100
o ⎜ ⎟
100
⎝ ⎠
⎝ ⎠
với ε = C/Co (0 < ε < 1) gọi là ĐỘ ĐEN của vật
p.7
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
¾ ĐL Kirchhoff
Xeùt 2 taám phaúng ñaët song song, taám 1 laø
vật đen tuyệt đối, taám 2 laø vaät xaùm.
q = E1 − A1Eo
NL trao ñoåi baèng BX giöõa 2 taám:
ÔÛ ĐK caân baèng nhieät ñoäng (To = T1) thì q = 0 neân:
E1
A1
E1 − A1Eo = 0
= Eo
Thay vaät xaùm 1 baèng caùc vaät xaùm khaùc, toång quaùt:
E1 E2
=
En
An
( )
= Eo = f T
=K=
A1 A2
“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
ĐHBK tp HCM
8/2009
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
ĐHBK tp HCM
8/2009
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)E2hd
E2hd = E2 +(1− A2 )E1hd
⎫
⎬
⎭
(a)
trong ñoù
Giaûi heä PT baäc nhaát (a) seõ tìm ñöôïc E1hd vaø E2hd
E1 + (1− A1)E2
A1 + A2 − A1A2
⎫
⎪
E1hd =
E2hd =
⎪
⎪
⎬
⎪
⎪
(b)
E2 + (1− A2 )E1
A1 + A2 − A1A2 ⎪
⎭
p.10
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
Thay E1hd vaø E2hd töø PT (b) vaøo PT (A.1):
A2E1 − A1E2
q12 =
(c)
A1 + A2 − A1A2
Maët khaùc, theo ñònh luaät Stefan – Boltzmann thì:
4
4
T
⎛ ⎞
2
100
⎝ ⎠
T
⎛ ⎞
1
100
⎝ ⎠
E2 = ε2C
E1 = ε1C
o ⎜ ⎟
o ⎜ ⎟
vaø theo ÑL Kirchhoff: A = ε ; Thay chuùng vaøo PT (c) ñöôïc:
4
4
⎡
⎢
⎤
⎥
Co
T
100
T
100
⎛ ⎞ ⎛ ⎞
1
2
q12 =
−
⎜ ⎟ ⎜ ⎟
1 1
⎝ ⎠ ⎝ ⎠
⎢
⎥
⎣
⎦
+ −1
1
ε1 ε2
ε12 =
1 1
4
⎞4 ⎛
⎞
+ −1
⎡
⎤
W m2
Q12
F
T1
100
T2
100
⎠
⎥
⎛
ε1 ε2
q12 =
= ε12 C
−
o ⎢⎜
⎟ ⎜
⎟ ⎥
Hoaëc
⎝
⎢
⎠ ⎝
⎣
⎦
laø ñoä ñen cuûa heä
p.11
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
1
4
⎞4 ⎛
⎠ ⎝
⎞
⎟
⎡
⎤
ε12 =
T
100
T2
100
⎛
1
1 1
q12 = ε12Co
−
⎜
⎟ ⎜
Töø CT
⎢
⎥ với
+ −1
⎝
⎢
⎣
⎠
⎥
⎦
ε1 ε2
Eo1 − Eo2
q12 =
⎛
⎞ ⎛
⎞
1 1
1 1
⎟
−
⎜
⎜
⎟ ⎜
− +
⎟ ⎜
⎟
ε1 2
ε2 2
⎝
⎠ ⎝
⎠
Söû duïng khaùi nieäm nhieät trôû:
1 1
⎛
⎝
⎞
⎟
nhieät trôû böùc xaï beà maët
taám phaúng.
R = −
⎜
ε 2
⎠
Sô ñoà maïng nhieät trôû böùc xaï
cuûa hai taám phaúng song song
p.12
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
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.
ϕ21: heä soá goùc
Naêng löôïng TĐN BX giöõa 2 vaät:
Q12 = Q1hd − ϕ21Q2hd
(*)
Q1hd = Q1 +
1− A1
)
ϕ21Q2hd
⎫
⎪
⎬
Trong ñoù
(1)
⎪
Q2hd = Q2 +
(
1− A2
)
Q1hd +
(
1− A2 )(1−ϕ21
)
Q2hd
⎭
p.13
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
8/2009
ĐHBK tp HCM
4
⎫
T1
⎛
⎞
⎟
Q 1 = E1F1 = ε1C o
F1
⎜
⎪
⎪
⎬
ÔÛ ñaây
100
⎝
⎠
(2)
4
T2
100
⎛
⎜
⎞
⎟
⎪
Q 2 = E 2 F2 = ε 2 C o
F2
⎪
⎝
⎠
⎭
Thay (2) vaøo (1) vaø giaûi heä (1) tìm ñöôïc Q1hd , Q2hd ; thay vaøo (*):
4
4
⎡
⎤
Co
T1
100
T
⎞
100
⎠
⎛
⎞
⎟
⎛
⎜
2
Q12 =
F
− ϕ21F2
⎢ ⎜
⎟ ⎥
1
(3)
⎛
⎞
1
1
ε2
⎝
⎠
⎝
⎢
⎥
⎣
⎦
⎜
⎜
⎟
⎟
+ ϕ21
−1
ε1
⎝
⎠
Ñeå tìm ϕ21, xeùt ĐK caân baèng nhieät ñoäng (T1 = T2 = T): Q12 = 0:
4
4
T
100
T
100
⎛
⎜
⎞
⎟
⎛
⎜
⎞
⎟
F
− ϕ F
= 0
1
21 2
⎝
⎠
⎝
⎠
F1
F2
ϕ21 =
F1 − ϕ21F2 = 0
Ruùt ra
→
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
ĐHBK tp HCM
8/2009
4
4
⎡
⎤
Co F1
T1
100
T
⎞
⎛
⎞ ⎛
2
Q12 =
−
⎢⎜
⎟ ⎜
⎟ ⎥
Thay ϕ21 vaøo PT (3):
100
⎠
⎥
⎛
⎞
F1
1
1
⎝
⎠ ⎝
⎢
⎣
⎦
⎜
⎜
⎟
⎟
+
−1
ε1 F2 ε2
⎝
⎠
4
4
1
⎡
⎤
ε12 =
T1
100
T
100
Kyù hieäu
Thì
⎛
⎞ ⎛ ⎞
2
⎛
⎞
1 F 1
Q12 = ε12 C F
o 1 ⎢⎜
−
⎟ ⎜ ⎟ ⎥
1
⎜
⎟
⎟
+
−1
⎜
⎝
⎠ ⎝ ⎠
⎢
⎥
ε1 F2 ε2
⎣
⎦
⎝
⎠
Tröôøng hôïp ñaëc bieät:
ñoä ñen ε2 khoâng aûnh höôûng ñeán Q’12.
• Khi F1 << F2 (töùc F1/F2 ≈ 0)
4
4
⎡
⎤
T1
100
T
⎞
100
⎠
⎛
⎞ ⎛
2
′
Q12 = ε1F1C
−
= ε F
⎟ ⎥
(
E1 − E2
)
o ⎢⎜
⎟ ⎜
1 1
⎝
⎠ ⎝
⎢
⎥
⎣
⎦
• Khi F1 ≈ F2 (töùc F1/F2 = 1): tröôøng hôïp 2 taám phaúng song song
p.15
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
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.
E01 − E02
q12 =
• Khi khoâng coù MC
⎛
⎞ ⎛
⎞
1 1
1 1
⎜
⎜
⎟ ⎜
⎟
⎟
− +
−
⎟ ⎜
ε1 2
ε2 2
⎝
⎠ ⎝
⎠
4
⎞4 ⎛
⎠ ⎝
⎞
⎟
⎠
⎡
⎢
⎤
⎥
T
100
T2
100
⎛
⎜
⎝
1
Co
−
⎟ ⎜
⎢
⎣
⎥
⎦
E01 − E02
• Khi coù MC
q12 =
Toång quaùt:
q12 =
⎛
⎞
⎛
⎛
⎞
⎞
1 1
1 1
1 1
⎟ ⎜
− + −
R
⎜
⎜
⎟ ⎜
⎟
⎟
− + 2
∑
bx
⎟ ⎜
⎟ ⎜
ε1 2
εc 2
ε2 2
⎝
⎠
⎝
⎠
⎠
⎝
p.16
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
Nhaän xeùt:
1
⎛
⎜
⎞
⎟
q
= q12
2
• Neáu ε1 = ε2 = εc = ε thì khi coù 1 maøng chaén, NL BX giaûm coøn moät nöûa
12c
⎝
⎠
• 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:
4
⎞4 ⎛
⎠ ⎝
⎞
⎟
⎛
⎜
⎝
⎞4 ⎛
⎠ ⎝
⎞
⎟
⎠
⎡
⎢
⎤
⎥
T
100
T2
100
4
1
⎡
⎢
⎤
⎥
T
100
T2
100
Co
−
⎛
⎟ ⎜
1
Co
−
⎜
⎟ ⎜
⎢
⎣
⎥
⎦
⎝
⎢
⎣
⎠
⎥
⎦
=
q12 =
n
⎡
⎢
⎣
⎤
n
⎛
⎞
⎛
⎞
1 1
2
⎛
⎞
⎛
⎞ ⎛
⎞
1 1
1 1
1 1
⎜
⎜
⎟
⎟
⎜
⎜
⎟
+ −1 +
−1
⎜
⎜
⎟
⎟
⎜
⎜
⎟ ⎜
+
⎟
⎟
⎥
⎦
−
+ 2
−
−
∑
⎟
∑
⎟ ⎜
ε1 ε2
εci
ε1
2
εci
2
ε2
2
i=1
⎝
⎠
⎝
⎠
i=1
⎝
⎠
⎝
⎠ ⎝
⎠
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
ĐHBK tp HCM
8/2009
CHẮN MÀ KHÔNG BỊ CHẶN !!!
p.18
18 trang
28600
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 4: Trao đổi nhiệt bằng Bức xạ - Hà Anh Tùng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_truyen_nhiet_chuong_4_trao_doi_nhiet_bang_buc_xa_h.pdf
