Trao đổi nhiệt bức xạ

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TPHCM KHOA COÂNG NGHEÄ HOAÙ HOÏC VAØ MOÂI TRÖÔØNG CHƯƠNG IV TRAO ÑOÅI NHIEÄT BÖÙC XAÏ 1 CÂU HỎI THẢO LUẬN Ngoài lớp khí quyển bao xung quanh Trái Đất, khoảng không gian còn lại giữa Trái Đất và Mặt Trời là khoảng chân không. Trong khoảng chân không này, không xảy ra dẫn nhiệt và đối lưu nhịệt. Vậy, năng lượng của Mặt Trời đã truyền xuống Trái Đất bằng cách nào? 22 BBỨỨCC XXẠẠ NHINHIỆỆTT ThThíí nghinghiệệmm II. BỨC XẠ NHIỆT 1. Thí nghiệm Một bình cầu đã phủ muội đen, trên Lấy miếng gỗ chắn giữa nút có gắn một ống thuỷ tinh, trong nguồn nhiệt và bình cầu ống thuỷ tinh có một giọt nước màu, được đặt gần một nguồn nhiệt như ngọn lửa đèn cồn. Quan sát và mô tả hiện tượng Quan sát và mô tả hiện tượng xảy ra đối với giọt nước màu. xảy ra đối với giọt nước m3 àu. BBỨỨCC XXẠẠ NHINHIỆỆTT II. BỨC XẠ NHIỆT 1. Thí nghiệm 2.Trả lời câu hỏi C7 Giọt nước màu dịch chuyển về đầu B chứng tỏ điều gì? Giọt nước màu dịch chuyển về đầu B chứng tỏ không khí trong bình nóng lên và nở ra. C8 Giọt nước màu dịch chuyển trở lại đầu A chứng tỏ điều gì? Miếng gỗ đã có tác dụng gì? Giọt nước màu dịch chuyển trở lại đầu A chứng tỏ không khí trong bình đã lạnh đi. Miếng gỗ đã ngăn không cho nhiệt truyền từ đèn sang bình. Điều này chứng tỏ nhiệt đã truyền từ đèn sang bình bằng đường thẳng. 4 BBỨỨCC XXẠẠ NHINHIỆỆTT I. DẪN NHIỆT VÀ ĐỐI LƯU NHIỆT Đối lưu là sự truyền nhiệt bằng các dòng chất lỏng hoặc chất khí, đó chính là hình thức truyền nhiệt chủ yểu của chất lóng và chất khí. II. BỨC XẠ NHIỆT 1. Thí nghiệm 2.Trả lời câu hỏi C9 Sự truyền nhiệt từ nguồn nhiệt tới bình cầu có phải là dẫn nhiệt và đốí lưu không? Tại sao? Sự truyền nhiệt từ nguồn nhiệt tới bình cầu không phải là dẫn nhiệt vì chất khí dẫn nhiệt kém, cũng không phải là đối lưu vì nhiệt được truyền theo đường thẳng. 5 BBỨỨCC XXẠẠ NHINHIỆỆTT I. ĐỐI LƯU Đối lưu là sự truyền nhiệt bằng các dòng chất lỏng hoặc chất khí, đó chính là hình thức truyền nhiệt chủ yểu của chất lóng và chất khí. II. BỨC XẠ NHIỆT 1. Thí nghiệm 2.Trả lời câu hỏi Trong thí nghiệm trên, nhiệt được truyền bằng các tia nhiệt đi thẳng. Hình thức truyền nhiệt này gọi là bức xạ nhiệt. Bức xạ nhiệt có thể xảy ra ngay cả trong chân không. Thí nghiệm cho thấy khả năng hấp thị nhiệt của một vật phụ thuộc vào tính chất của bề mặt. Vật có bề mặt càng xù xì và màu càng sẫm thì thì hấp thụ các tia nhiệt càng nhiều. 6 BBỨỨCC XXẠẠ NHINHIỆỆTT II. BỨC XẠ NHIỆT Bức xạ nhiệt là sự truyền nhiệt bằng các tia nhiệt đi thẳng. Bức xạ nhiệt có thể xảy ra cả ở trong chân không. III. VẬN DỤNG C10 Tại sao trong thí nghiệm hình 23.4 bình chứa không khí lại được phủ muội đen? Trong thí nghiệm hình 23.4 bình chứa không khí lại được phủ muội đen để tăng khả năng hấp thụ các tia nhiệt. 7 Bài 23: ĐĐỐỐII LƯULƯU -- BBỨỨCC XXẠẠ NHINHIỆỆTT III. VẬN DỤNG C11 Tại sao vào mùa hè ta thường mặc áo màu trắng mà không mặc áo màu đen? Vào mùa hè ta thường mặc áo màu trắng để giảm sự hấp thụ các tia nhiệt. 8 BỨC XẠ NHIỆT Một số khái niệm: • Bức xạ là gì? – Một vật bất kỳ có nhiệt độ lớn hơn 0K, luôn có sự biến đổi nội năng của vật thành năng lượng sóng điện từ. – Các sóng điện từ truyền đi trong không gian theo mọi phương với vận tốc ánh sáng và có chiều dài bước sóng khác nhau.   0   – Căn cứ vào chiều dài bước sóng ta phân các sóng điện từ thành các loại từ tia vũ trụ tới sóng vô truyến 9 điện. l T1 T2 q T1 > T2 10 Một số loại sóng điện từ 11 BÖÙC XAÏ NHIỆT Dạng sóng Bứơc sóng Tia vuõ truï 0.05*10-6 m Tia gamma (0.5 – 1).10-6 m Tia Rôn-ghen 10-6 – 20.10-3 m Tia töû ngoaïi 20.10-3 – 0.4 m Aùnh saùng thấy được 0.4 – 0.8 m Tia hoàng ngoaïi 0.8 – 400 m Soùng voâ tuyeán > 0.2 km. 2. Caùc ñònh nghóa veà böùc xaï nhieät: 12 PHAÂN LOAÏI THEO NGUOÀN GOÁC • Töø aùnh saùng maët trôøi : tia hoàng ngoaïi, tia töû ngoaïi. • Töø böùc xaï ion : tia Alpha, tia Beâta, tia X, tia Gamma vaø Nôtron 13 BÖÙC XAÏ TÖØ AÙNH SAÙNG MAËT TRÔØI Maët trôøi phaùt ra aùnh saùng vaø toûa nhieät xuoáng traùi ñaát. Bao goàm caùc tia coù böôùc soùng khaùc nhau: töø tia hoàng ngoaïi coù böôùc soùng daøi ñeán tia töû ngoaïi coù böôùc soùng ngaén. ÔÛ trong daõy quang phoå: töø aùnh saùng ñoû trôû leân laø tia hoàng ngoaïi, töø aùnh saùng tím trôû xuoáng laø tia töû ngoaïi. 14 SÔ ÑOÀ BIEÅU THÒ SÖÏ PHAÛN XAÏ VAØ HAÁP THUÏ NAÊNG LÖÔÏNG MAËT TRÔØI 15 AÛNH CHUÏP QUA VEÄ TINH 16 TIA HOÀNG NGOAÏI Laø nhöõng böùc xaï khoâng nhìn thaáy ñöôïc, coù böôùc soùng lôùn hôn böôùc soùng cuûa aùnh saùng ñoû (0,75µm). Trong aùnh saùng maët trôøi coù khoaûng 50% naêng löôïng cuûa chuøm aùnh saùng laø thuoäc veà tia hoàng ngoaïi. Vaät bò nung noùng cuõng phaùt ra tia hoàng ngoaïi. 17 TAÙC DUÏNG & ÖÙNG DUÏNG Taùc duïng nhieät. (Do vaäy noù ñöôïc öùng duïng ñeå saáy hoaëc söôûi, laøm noùng nöôùc…) Trong coâng nghieäp: duøng tia hoàng ngoaïi ñeå saáy khoâ caùc saûn phaåm sôn (nhö voû oâtoâ, voû tuû laïnh…), hoa quaû. Trong sinh hoaït: duøng ñeå ñun noùng nöôùc, naáu aên… Trong y hoïc: duøng ñeøn hoàng ngoaïi ñeå söôûi aám cho maùu löu thoâng ñöôïc toát. 18 TIA TÖÛ NGOAÏI Laø nhöõng böùc xaï khoâng nhìn thaáy ñöôïc, coù böôùc soùng ngaén hôn böôùc soùng cuûa aùnh saùng tím (0,4 m). Nguoàn goác: - Maët trôøi laø nguoàn phaùt tia töû ngoïai raát maïnh, chieám khoaûng 9% coâng suaát cuûa chuøm aùnh saùng maët trôøi. - Hoà quang ñieän cuõng laø moät nguoàn phaùt tia töû ngoaïi maïnh. - Vaät bò nung noùng > 3000ä(0C) cuõng phaùt ra tia töû ngoaïi raát maïnh. 19 TAÙC DUÏNG & ÖÙNG DUÏNG Gaây phaûn öùng quang hoùa, quang hôïp, ion hoùa khoâng khí, moät soá taùc duïng sinh hoïc… Trong coâng nghieäp: phaùt hieän caùc veát nöùt, veát xöôùc treân beà maët caùc saûn phaåm tieän, Pin maët trôøi… Trong y hoïc: chöõa beänh coøi xöông 20 • Nhận xét khi chiếu tia sáng mặt trời và sóng radio vào nguời? • Vậy, BỨC XẠ NHIỆT là gì? 21 Một số loại sóng điện từ 22 MỘT SỐ KHAÍ NIỆM VỀ BỨC XẠ NHIỆT • Bức xạ nhiệt là gì? – Những tia mà ở nhiệt độ thường gặp, chúng có hiệu ứng nhiệt cao, nghĩa là vật có thể hấp thu được và biến thành nhiệt năng, gọi là tia nhiệt. Những tia này có bước sóng:   0.4m  40m – Bao gồm: tia tử ngoại, ánh sáng nhìn thấy đuợc, tia hồng ngoại. – Qúa trình phát sinh và truyền đi những tia ấy gọi là quá trình bức xạ nhiệt. – Hấp thu nhiệt là sự chuyển hoá tia nhiệt thành nhiệt, khi tia nhiệt đập vào bề mặt vật. 23 Phân bố các dòng năng lượng do trao đổi nhiệt bức xạ trong trường hợp tổng quát • Nếu gọi: Q A  A QO Q R  R • QO Q D  D QO Q Q Q A  R  D  1 QO QO QO • A là hệ số hấp thu; • R là hệ số phản xạ • D là hệ số xuyên qua 24 Một số khái niệm • Các vật khác nhau thì hấp thụ nhiệt khác nhau. Vật đen thì hấp thụ nhiệt nhiều hơn vật trắng. Ngược lại, vật trắng thì phản xạ nhiệt nhiều hơn vật đen. • Vật đen tuyệt đối: là vật có bề mặt hấp thụ hoàn toàn các tia đập lên nó (A = 1; D=R=0). • Vật trắng tuyệt đối: là vật phản xạ tất cả các tia sáng đập lên nó (R=1; A=D=0). • Vật trong tuyệt đối: là vật cho tất cả các tia sáng đi qua nó (D=1; A=R=0). • Vật xám là vật hấp thụ một phần năng lượng của các tia sáng đập lên nó. 25 d. Cöôøng ñoä böùc xaï ñôn saéc: E [w/m2] coøn goïi laø khaû naêng böùc xaï ñôn saéc. Laø maät ñoä böùc xaï baùn caàu ñoái vôùi moät daûi heïp chieàu daøi böôùc soùng   ( + d). dE E   d Q QR QA QD Sô ñoà phaân boá doøng böùc xaï 26 a. Doøng böùc xaï toaøn phaàn: Q [W] laø toång naêng löôïng böùc xaï phaùt ra treân beà maët F cuûa vaät treân toaøn boä khoâng gian nöûa baùn caàu vôùi taát caû caùc böôùc soùng töø 0 - . b. Doøng böùc xaï ñôn saéc: Q [W]  laø toång naêng löôïng böùc xaï phaùt ra treân beà maët F cuûa vaät treân toaøn boä khoâng gian nöûa baùn caàu chæ xeùt trong moät daûi heïp böôùc soùng töø   ( + d) . c. Maät ñoä böùc xaï baùn caàu: E [W/m2] coøn goïi laø khaû naêng böùc xaï baùn caàu. Laø doøng böùc xaï baùn caàu phaùt ra treân moät ñôn vò dieän tích cuûa beà maët böùc xaï. dQ E  dF Nhö vaäy, naêng löôïng böùc xaï treân toaøn beà maët F: Q   E.dF F neáu treân beà maët F böùc xaï ñoàng ñeàu thì: Q = E.F 27 E1 q = E1 - A1.Et Ehd = E1 +(1-A)Et ER Et EA Xaùc ñònh khaû naêng böùc xaï hieäu duïng cuûa vaät ñuïc 28 3. Nhöõng ñònh luaät cô baûn veà böùc xaï nhieät: C W  a. Ñònh luaät Plank: I  1 0 C  3   2  m  5  T  Trong ñoù:  e 1   - I: Cường ộ BX của vật en tuyệt đối; -16 2 - C1 : haèng soá Plank thöù nhaát, C1 = 3,74.10 [W.m ] -2 - C2 : haèng soá Plank thöù hai, C2 = 1,4388.10 [m.K] -  : chieàu daøi böôùc soùng [m] - T : Nhieät ñoä tuyeät ñoái [K] - e : cô soá logarit töï nhieân. - Chæ soá “0” bieåu thò vaät khaûo saùt laø vaät ñen tuyeät ñoái. b. Ñònh luaät Stephan –Boâzôman: 4  T  E = .T4 E0  C0   0 0 100  2 4 C0 = 5,67 W/m .K goïi laø heä soá böùc xaï cuûa vaät ñen tuyeät ñoái 4  T  E  C.  29 100  E C goïi laø ñoä ñen    E0 C0 c. Ñònh luaät Kirkhop: Trong ñieàu kieän caân baèng nhieät ñoäng, tyû soá giöõa naêng suaát böùc xaï vaø heä soá haáp thuï nhiệt cuûa moïi vaät xaùm ñeàu baèng nhau vaø baèng naêng suaát böùc xaï cuûa vaät ñen tuyeät ñoái E0. E E E0   A   A E0 30 Định luật Lambert (Định luật Cosin) • Năng lượng bức xạ của phân tố bề mặt bức xạ dF1 theo các phương khác nhau sẽ thay đổi tùy theo góc tạo thành giữa pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt dF1 với phương cần xét E  En cos 31 Định luật Lambert • Ở đây: E • En • là năng lượng bức xạ theo phương pháp tuyến và phương của một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian ứng với góc lập thể. • Gọi E là tổng năng lượng bức xạ phát ra E trên một đơn vị bề mặt, n ta có: • (3.7) 32 Trao ñoåi nhieät böùc xaï giöõa caùc vaät ñaët trong moâi tröôøng trong suoát T2, T1, E2 A2 A1 (1-A1)Ehd2 q12 = E12 = Ehd1 – Ehd2 (1-A2)Ehd1 Ehd2 E1  4 4  C0  T1   T2  q12        1 1 100 100 Trao ñoåi nhieät böùc xaï giöõa 2 taám phaúng  1      1  2 33 Tác dụng của màng chắn xạ 1 T T  q C(1 )4  ( 2 ) 4 ; W / m 2 121 1 2 0    1   1 100 100  1  2  m 1 T T  q C(1 )4  ( 2 ) 4 ; W / m 2 121 1 2 0    1 n (  1) 100 100  1  2  m Với giả thiết (3.17) 1  2   m q q  12 (12)m (n  1) 34 q12 = E12 = Ehd1 – Ehd2 35 36 b. Trao ñoåi nhieät böùc xaï giöõa 2 vaät boïc nhau : Giả sử vật 1 có diện tích bằng F , nhiệt độ T và có A , 1 1 1 1 được bọc bởi vật 2 có diện tích F , nhiệt độ T và có A ­2 2 2,  2(T 1 T 2 ) T 4 T 4 T , A , F Q .C .F . 1   2   1 1 1 12  12 0 1 100   100        1   12 1 F  1   1  1   T2, A2, F2 1 F2  2  Böùc xaï hai vaät boc nhau Trường hợp đặc biệt: Khi F2 rất lớn so với F1 và khi F2 = F1 Các công thức trên đây chỉ đúng khi bề mặt vật 1 là lồi hoặc phẳng. 37 BỨC XẠ CỦA CHẤT KHÍ • Một số lưu ý: – Bức xạ khí 1 hoặc 2 nguyên tử có khả năng bức xạ bé. Đề cập chủ yếu tới khí 3 nguyên tử. – Tính chất: • Bức xạ khí có tính chọn lọc • Bức xạ khí có tính thể tích – Đối với hỗn hợp khí, phải tính tới ảnh hưởng tương hổ khi trong phổ bức xạ của chúng có dãy chồng nhau. – 38 39 40 41 NAÊNG LÖÔÏNG MAËT TRÔØI Naêng löôïng aùnh saùng maët trôøi ñöôïc öùng duïng ñeå laøm caùc heä thoáng ñun nöôùc, beáp naáu aên, Pin maët trôøi… 42 HEÄ THOÁNG ÑUN NÖÔÙC BAÈNG NAÊNG LÖÔÏNG MAËT TRÔØI LOAÏI DUØNG TAÁM KÍNH PHAÚNG 43 44 45 NHAÄN XEÙT  Öu ñieåm: Phuø hôïp vôùi nhöõng vuøng coù ñoä böùc xaï maët trôøi cao, nhöõng vuøng maø nöôùc coù ñoä tin khieát khoâng cao, nöôùc cöùng. Phuø hôïp vôùi ñieàu kieän ñòa lyù ôû Vieät Nam.  Khuyeát ñieåm chung cuûa thieát bò naøy laø vaøo nhöõng ngaøy möa keùo daøi, khoâng coù aùnh maët trôøi nöôùc seõ khoâng noùng. 46 HEÄ THOÁNG ÑUN NÖÔÙC BAÈNG NAÊNG LÖÔÏNG MAËT TRÔØI LOAÏI DUØNG OÁNG CHAÂN KHOÂNG 47 MAËT CAÉT DOÏC 48 MAËT CAÉT NGANG 49 NHAÄN XEÙT  Öu ñieåm: haáp thu nhieät toát neân phuø hôïp vôùi nhöõng vuøng lanh hay coù möa ñaù, tuyeát.  Khuyeát ñieåm: ôû nhöõng vuøng coù ñoä böùc xaï maët trôøi cao, nöôùc trong bình coù theå bò ñun soâi laøm thieát bò mau hö. Nhaát laø ôû nhöõng vuøng nöôùc cöùng, sau 1 thôøi gian söû duïng seõ bò ñoùng caën, keát tuûa trong oáng. 50 BEÁP DUØNG NAÊNG LÖÔÏNG MAËT TRÔØI  Nguyeân lyù: taäp trung böùc xaï maët trôøi, duøng nhieät hoäi tuï töø chaûo Parabol, göông phaûn xaï, maùng hoäi tuï. …  Coâng duïng: naáu nöôùc, naáu côm, naáu canh, luoäc rau. … 51 MOÄT SOÁ LOAÏI BEÁP Beáp hoäi tuï Beáp hoäp Beáp haáp thu daïng phaûn xaï göông phaúng Beáp haáp thu daïng phaûn xaï maùng hoäi tuï 52 BEÁP HOÄI TUÏ 53 BEÁP HOÄP 54 BEÁP HAÁP THU DAÏNG PHAÛN XAÏ GÖÔNG PHAÚNG 55 BEÁP HAÁP THU DAÏNG PHAÛN XAÏ MAÙNG HOÄI TUÏ 56