Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 7: Bức xạ nhiệt - Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
CHƯƠNG 7 
BỨC XẠ NHIỆT 
1. Khái niệm cơ bản về bức xạ nhiệt
2 Các định luật cơ bản về bức xa nhiệt. ï 
3. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai tấm phẳng đặt song song
4. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau
1
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
1. Khái niệm cơ bản về bức xạ nhiệt:
2
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Khái niệm cơ bản về bức xạ nhiệt:
Một vật bất kỳ có nhiệt độ T có nhiệt năng một phần
nhiệt năng biến thành năng lương sóng điện từ truyền điï
trong không gian gặp vật thể khác Hấp thụ biến lại
thành nhiệt năng
Một vật luôn phát ra năng lương bức xa vàï ï
nhận năng lượng bức xạ từ vật thể khác
chiếu đến.
3
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Trao đổi nhiệt bức xa: là quá trình trao đổi nhiệtï
xảy ra giữa các vật cĩ nhiệt độ khác nhau đặt cách xa
nhau Năng lượng bức xạ truyền trong khơng gian
BẢNG PHÂN LOAI THEO BƯỚC SÓNG
dưới dạng sĩng điện từ.
 Ï 
Dạng bức xạ Chiều dài bước sóng
Tia vũ tru 0,05.10-6 ï
Tia gamma (0,5  1,0).10-6
Tia Rơnghen 10-6  20.10-3
Tia tử ngoại 20.10-3  0,4
Tia sáng 0,4  0,8
Tia hồng ngoại 0,8  400
4
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Sóng vô tuyến điện 0,2mm  X km
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Dòng bức xạ, hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ và hệ số xuyên qua:
Thành phần 
phản xạ
Tia tới
Qo: dòng bức xạ chiếu lên bề mặt (W);
Th ø h h à
QA: một phần hấp thụ biến thành nhiệt ;
QR: một phần phản xạ;
Q ät h à â
Qo
QR
an p an 
hấp thụ D
: mo p an xuyen qua
QD
QA
QQQQ Thành phần 
xuyên qua
DRAo
1DRA
Q
Q
Q
Q
Q
Q
o
D
o
R
o
A 
5
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
QQQ 1DRA
QQQ o
D
o
R
o
A 
A, R, D: hệ số hấp thu, phản xạ, xuyên qua; Biến đổi từ
0  1, phụ thuộc vào bản chất vật lý của vật, nhiệt độ, và
chiều dài bước sóng.
A = 1 vật đen tuyệt đối
R 1 ä é ä đ ái= vat trang tuyet o .
D = 1 vật trong tuyệt đối.
V ät ù D 0 ø A R 1
6
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
a xam: = va + =
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
 Khả năng bức xạ bán cầu E [W/m2]
Là dòng bức xạ phát ra trên một đơn vị diện tích dF, ứng
với một đơn vị thời gian trên toàn bộ không gian nửa bán cầu
ứng với tất cả các bước sóng  = 0  
dQ
dF
E (W/m2)
Năng lượng bức xạ Q (W):
 
F
dFEQ (W)
7
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
 Khả năng bức xạ đơn sắc E [W/m2]
Là mật độ bức xạ bán cầu ứng với một giải hẹp của chiều
dài bước sóng (chỉ xét với 1 dãi bước sóng hep   +d)ï
  d
dEE (W/m3)
Bức xa bán cầu E (W/m2):
   dEE
 ï 
(W/m2)
0
8
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
 Khả năng bức xạ hiệu dụng Ehd
Xét dòng bức xạ tới từ bên ngoài E2 chiếu lên bề mặt vật xám (A + R = 1)
=
A1*E2 - Năng lượng bức xạ vật 1 phát ra:
E2
+
=
Vật 1
(Ehd gọi là khả năng bức xạ hiệu
Ehd = E1 + (1-A1)E2 (W/m2)
E1
E1 + (1-A1)E2
dụng của vật)
- Năng lượng bức xạ mà vật 1 trao đổi với mơi trường xung quanh là:
q = E1 – A1E2 = Ekq (W/m2)
9
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Ekq: khả năng bức xạkết quả
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
2. Các định luật cơ bản về bức xạ nhiệt:
 Định luật Planck:
Định luật thiết lập mối quan hệ giữa khả năng bức xa đơn sắc của ï 
vật đen tuyệt đối Eo = f(,T)
C 5 
1e
E )T(C
1
o 2 
  3mW
Với C1, C2 là hằng số Planck thứ nhất và thứ hai
m.W10.3742,0C 2151
K.m10.4388,1C 22
 – chiều dài bước sóng, m
T hi ät đ ä t ät đ ái û ät K
10
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
 – n e o uye o cua va , 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
11
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Đồ thị Mật độ dòng đơn sắc – chiều dài bước sóng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
 Định luật Stefan – Bolztmann: 
Định luật này thiết lập mối quan hệ giữa khả năng bức xạ bán cầu của 
vật đen tuyệt đối phụ thuộc vào nhiệt độ
- Khả năng bức xạ bán cầu của vật đen tuyệt đối:
4TCE (W/ 2)
với C 5 67 W/m2 K4 : hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
oo 100 m
 o = , . 
44 TT 
- Đối với vật xám : 
o 100
C
100
CE  (W/m
2)
12
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
với  = C/Co (0 <  < 1): do den của vật
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
 Định luật Kirchhoff:
Định luật này thiết lập mối quan hệ giữa khả năng bức xạ  của vật 
với hệ số hấp thụ A.
Vật đen Vật xám
T
Xét hai tấm phẳng đặt song song với:
Too=1
11
Eo
(1  ) E  E
– Kích thước lớn so với khoảng cách
– Vật đen có nhiệt độ To, khả năng
bức xa E- 1 . o
E1
1. o ï o
– Vật xám còn lại có nhiệt độ T1, khả
năng bức xa E1, hệ số hấp thu A1ï ï
13
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Nhiệt lượng trao đổi bằng bức xạ giữa 2 tấm:
o11 EAEq 
Ở điều kiện cân bằng nhiệt động (T = T1) thì q = 0 nên: o 
0EAE o11 o
1
1 E
A
E 
Thay vật xám 1 bằng các vật xám khác, tổng quát:
EEE TfE
AAA on
n
2
2
1
1 
4 
A = A
T
100
TC
E
E
4  
14
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
100
C0
0 
3. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa tấm phẳng đặt song song:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Tấm 1: có nhiệt độ T1, hệ số hấp thu A1.
 Hai tấm phẳng đặt song song:
Tấm 2: có nhiệt độ T2, hệ số hấp thụ A2.
Diện tích tấm F1 = F2 = F
N ê lươ t đ åi hi ät BX iữ h i t á l øang ïng rao o n e g a a am a:
Q12 = Q1hd – Q2hd
Vì hai tấm có diện tích như nhau nên có thể viết:
q12 = E1hd – E2hd
trong đó


 hdhd
E)A(EE
E)A(EE 2111
1
1
 hdhd 1222
15
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Tìm đươc E1hd và E2hdï
  
2121
211
hd1 AAAA
E)A1(EE
2112 EAEA 


 122hd2 AAAA
E)A1(EE
2121
12 AAAA
q 
 2121
Theo định luật Stefan – Boltzmann:
4
1
11 100
  TCE o
4
2
22 100
  TCE o
Theo định luật Kirchhoff: A =  ; 
16
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Nhiệt lương trao đổi giữa hai tấm là
4
2
4
1
12
TTCq o
 ï 
2mW   21
100100111
Hoặc
  
4
2
4
1
o121212 100
T
100
TC.FFqQ W
1
111
21
12
  
 Độ đen của hệ:
17
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
 44
  
 21
21
o
12 100
T
100
T
111
Cq
 EE 2o1o
  
 
2
11
2
11
q
21
12
Nhiệt trở bức xa bề mặt tấm phẳng Sơ đồ mạng nhiệt trở bức xạï .
  2
11R
RR
EEq 2o1o12 
18
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
21 
 Tấm phẳng đặt song song có bố trí màng chắn:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Xét trường hợp giữa 2 tấm
phẳng song song đặt một màn
chắn bức xạ có độ đen c
Màn chắn bức xạ: là vật
xám bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt,
 TT 44
Sơ đồ mạng nhiệt trở bức xạ
1111211
100100
C
q
21
o
12
2c1
RR2R
EEq 020112
 
    222 2c1
19
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Nhiệt trở bức xạ:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
   2
11R
1
1 
   2
11R
c
c 
   2
11R
2
2
 44 TT
Trường hợp n màng chắn có độ đen khác nhau:
 
n
21
o
12 1111211
100100
C
q
  
  
  1i 2ci1 222
4
2
4
1 TT
n
o
12
12111
100100
C
q
   1i ci21
20
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
4. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Khảo sát:
Ví dụ: trao đổi nhiệt trong buồng đốt, bức xạ của vật thể đặt trong
phòng, bức xạ trong thiết bị  
+ Vật 1: diện tích F1, nhiệt độ T1, hệ số hấp thu A1, 
+ Vật 2: diện tích F2, nhiệt độ T2, hệ số hấp thu A2,
Vì F1 F2 : tính dòng bức xạ Q12.
åĐặc điem: 
Năng lượng bức xa của vật 1 phát
ra toàn bộ rơi trên vật 2, còn năng
lượng bức xạ phát ra từ vật 2 chỉ có
một phần rơi lên vật 1, phần còn lại
rơi lên chính bản thân nó
21
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
- Gọi 21: là số % năng lượng bức xạ của vật 2 rơi lên vật 1 (hệ
số chiếu xạ hoặc hệ số góc)
Ta có năng lượng bức xạ trao đổi giữa 2 vật:
Trong đó
hd221hd112 QQQ 
 
 hd22111hd1 Q A1QQ
(1)
 hd2212hd122hd2 Q1A1QA1QQ
Năng lượng bức xạ bản thân các vật:  4T
 
  
4
2
1
1
o1111
T
F
100
CFEQ (2)
   2o2222 F100CFEQ
22
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Giải hệ phương trình (1) và (2) tìm đươc Q1hd Q2hd
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
ï ,
4
2
221
4
1
1
o
12
TFTFCQ
   2211
100100
111
Trong điều kiện cân bằng nhiệt động (T1 = T2 = T) thì Q12 = 0:
0TFTF
4
221
4
1 
100100
1
21 F
F 
2
Hệ số góc 21 thuần túy mang tính chất hình học, không
phụ thuộc bản chất vật lý của vật.
23
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
Khi đó năng lượng bức xạ trao đổi giữa hai vật:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
4
2
4
1
1
1o
12 100
T
100
T
11F1
FCQ
  221 F
đặt 
1
12 
4
2
4
1 TTFCQ 
   1
1
F
F1
22
1
1
  1o1212 100100
Trường hơp đặc biệt:ï
 Khi F1 << F2 (tức F1/F2 0)
 4241 EEFTTCFQ   2111o1112 100100 
Độ đen 2 không ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt bức xạ
 Khi F1 F2 (tức F1/F2 = 1): trường hợp 2 tấm phẳng song song
24
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Tài liệu tham khảo: 
1. Hồng Đình Tín, truyền nhiệt và tính tốn thiết bị trao đổi 
nhiệt, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2001 
2 Hà Anh Tùng Bài Giảng mơn học truyền nhiệt Trường Đại. , , 
học Bách Khoa TpHCM
3. Nguyễn Tồn Phong, Bài Giảng mơn học truyền nhiệt, Trường 
Đại học Bách Khoa TpHCM
4. J.P.Holman, heat transfer, Ninth edition, Mc Grew Hill.
25
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
HẾT CHƯƠNG 7 
26
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân