Xem mẫu
- http://www.ebook.edu.vn
Moãi photon coù taàn soá Q mang naêng löôïng theo Max
Chöông V TRAO ÑOÅI NHIEÄT BÖÙC XAÏ
Planck nhö sau
Wednesday, November 19, 2008
TRONG MOÂI TRÖÔØNG TRONG SUOÁT
hc
e hQ ,J (5-3)
O
§ 5.1. Caùc Khaùi Nieäm Cô Baûn 6,6256.10 34 J s goïi laø haèng soá Planck
Vôùi h
Moät vaät baát kyø coù nhieät ñoä lôùn hôn ñoä khoâng tuyeät ñoái Bieåu thöùc treân theå hieän raèng böôùc soùng caøng ngaén thì
( 0 K) thì luoân coù söï bieán ñoåi noäi naêng cuûa vaät thaønh naêng mang naêng löôïng caøng lôùn
löôïng soùng ñieän töø, caùc soùng naøy truyeàn ñi trong khoâng
Vaät coù nhieät ñoä lôùn hôn ñoä khoâng tuyeät ñoái thì coù khaû
gian theo moïi phöông vôùi toác ñoä aùnh saùng vaø vôùi moïi
naêng phaùt ra caùc tia böùc xaï nhieät, nhöng ñoàng thôøi noù
böôùc soùng coù chieàu daøi O 0 y f
cuõng coù khaû naêng haáp thuï böùc xaï töø caùc vaät khaùc chieáu
Ta coù bieåu thöùc moâ taû quan heä giöõa chieàu daøi böôùc ñeán. Quaù trình phaùt xaï vaø haáp thuï luoân dieãn ra ñoàng thôøi,
soùng O, taàn soá Q vaø toác ñoä lan truyeàn soùng c trong moâi vaø ta goïi laø quaù trình trao ñoåi nhieät baèng böùc xaï.
tröôøng khaûo saùt bôûi James Clerk Maxwell
Xeùt heä goàm 2 vaät trao ñoåi nhieät böùc xaï vôùi nhau:
c
O x Neáu nhieät ñoä chuùng baèng nhau, thì moãi vaät seõ haáp
,m (5-1)
Q
thuï vaø phaùt xaï löôïng nhieät baèng nhau, ta goïi heä ôû
Toác ñoä lan truyeàn cuûa soùng trong moâi tröôøng ñang
traïng thaùi caân baèng (caân baèng ñoäng)
khaûo saùt coù quan heä vôùi toác ñoä aùnh saùng trong chaân
x Neáu vaät coù nhieät ñoä khaùc nhau, vaät coù nhieät ñoä
khoâng nhö sau
lôùn hôn seõ phaùt xaï löôïng nhieät lôùn hôn löôïng nhieät
co
c ,ms (5-2) maø noù haáp thuï, nhö vaäy xeùt toång nhieät löôïng thì
n
noù ñang truyeàn nhieät cho vaät kia coù nhieät ñoä thaáp
2,9979.10 8 m s vaän toác aùnh saùng trong chaân khoâng
co hôn, nhö vaäy ñuùng vôùi quy luaät truyeàn nhieät: nhieät
löôïng ñi töø nôi coù nhieät ñoä cao ñeán nôi coù nhieät ñoä
n - goïi laø chieát suaát cuûa moâi tröôøng,
thaáp
n ~ 1 ñoái vôùi khoâng khí vaø haàu heát chaát khí
n ~ 1,5 trong tröôøng hôïp kính
n ~ 1,33 cho tröôøng hôïp nöôùc
Nguyeãn toaøn phong 1 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 2 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
- http://www.ebook.edu.vn
Khaû naêng haáp thuï caùc böôùc soùng ñieän töø cuûa vaät coù § 5.2. Caùc Ñònh Nghóa Cô Baûn
tính choïn loïc, khaû naêng haáp thuï lôùn nhaát ñoái vôùi caùc böôùc
5.2.1 Doøng böùc xaï toaøn phaàn Q [W]
soùng trong khoaûng O 0,4 y 40 Pm (ñeå bieán thaønh nhieät
Laø naêng löôïng böùc xaï phaùt ra treân beà maët F cuûa vaät
naêng), chuùng ñöôïc goïi laø caùc tia nhieät.
trong moät ñôn vò thôøi gian treân toaøn boä khoâng gian nöûa
Quaù trình phaùt sinh vaø truyeàn nhöõng tia nhieät ñöôïc goïi
baùn caàu öùng vôùi taát caû caùc böôùc soùng O 0 y f
laø quaù trình böùc xaï nhieät.
5.2.2 Doøng böùc xaï ñôn saéc Q O [W/m]
Laø doøng böùc xaï chæ xeùt öùng vôùi moät daõi heïp böôùc soùng
töø O ñeán O dO (treân khoâng gian nöûa baùn caàu)
5.2.3 Khaû naêng böùc xaï baùn caàu E [W/m2]
Hay coøn goïi maät ñoä böùc xaï baùn caàu, laø doøng böùc xaï
toaøn phaàn phaùt ra treân moät ñôn vò dieän tích
GQ
, W m2
E (5-4)
dF
GQ laø doøng böùc xaï toaøn phaàn (naêng löôïng böùc xaï
baùn caàu) phaùt ra töø beà maët nhaân toá dF
Do ñoù:
³ E dF , W
Q (5-5)
F
Neáu treân toaøn beà maët coù maät ñoä böùc xaï ñoàng ñeàu vaø
khoâng thay ñoåi thì:
E F, W
Q (5-6)
Nguyeãn toaøn phong 3 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 4 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
- http://www.ebook.edu.vn
DG UG WG
5.2.4 Khaû naêng böùc xaï ñôn saéc EO [W/m3]
DUW 1 (5-9)
Hay coøn goïi cöôøng ñoä böùc xaï ñôn saéc o laø maät ñoä böùc G GG
xaï baùn caàu öùng vôùi moät giaûi heïp cuûa chieàu daøi böôùc soùng Trong ñoù
DG
dE
, W m3 D
EO (5-7) heä soá haáp thu cuûa vaät
dO G
UG
U
5.2.5 Khaùi nieäm veà caùc heä soá böùc xaï cuûa vaät heä soá phaûn xaï cuûa vaät
G
Doøng böùc xaï G chieáu ñeán vaät seõ phaân thaønh nhöõng WG
W heä soá xuyeân qua cuûa vaät
thaønh phaàn sau:
G
DG - löôïng böùc xaï vaät haáp thu ñöôïc (thaønh nhieät) Caùc heä soá D, U, W khoâng coù thöù nguyeân vaø bieán ñoåi
UG - löôïng böùc xaï vaät phaûn xaï laïi moâi tröôøng töø 0 ñeán 1, trò soá cuûa chuùng phuï thuoäc vaøo baûn chaát vaät lyù
WG - löôïng böùc xaï ñi xuyeân qua vaät cuûa vaät, nhieät ñoä, vaø chieàu daøi böôùc soùng maø vaät ñoù phaùt ñi
Nhö vaäy ta coù caùc tröôøng hôïp sau:
U W 0
-
D1
o vaät coù khaû naêng haáp thu toaøn boä naêng löôïng böùc
xaï chieáu tôùi noù vaø ñöôïc goïi laø vaät ñen tuyeät ñoái
D W 0
-
U1
o vaät seõ phaûn xaï toaøn boä naêng löôïng böùc xaï chieáu
tôùi vaø ñöôïc goïi laø vaät traéng tuyeät ñoái (vaät göông)
D U 0
-
W1
o vaät seõ cho xuyeân qua toaøn boä naêng löôïng böùc xaï
chieáu tôùi vaø ñöôïc goïi laø vaät trong suoát tuyeät ñoái
Trong thöïc teá ta gaëp tröôøng hôïp sau:
W0
DG UG WG (5-8)
G DU 1
o khaû naêng xuyeân qua baèng khoâng vaø ñöôïc goïi laø vaät ñuïc
hoaëc
Nguyeãn toaøn phong 5 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 6 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
- http://www.ebook.edu.vn
§ 5.3. Caùc Ñònh Luaät Cô Baûn Cuûa Böùc Xaï Nhieät
5.3.1 Ñònh luaät Plank
Ñònh luaät thieát laäp moái quan heä giöõa khaû naêng böùc xaï
ñôn saéc cuûa vaät ñen tuyeät ñoái vôùi nhieät ñoä vaø chieàu daøi
böôùc soùng:
C1 O5
W m3
E oO (5-10)
C 2 ( O T )
1
e
Vôùi C1, C2 laø haèng soá Planck thöù nhaát vaø thöù hai
0,3742.10 15 W.m 2
2S.h.c2
C1 o
C2 h.co k 1,4388.10 2 m.K
O – chieàu daøi böôùc soùng, m
T – nhieät ñoä tuyeät ñoái cuûa vaät, K
k 1,38065.10 23 J K – haèng soá Boltzmann
Coâng thöùc 5-10 ñöôïc bieåu dieãn treân ñoà thò sau:
Ñoà thò Maät ñoä doøng ñôn saéc – chieàu daøi böôùc soùng
Nguyeãn toaøn phong 7 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 8 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
- http://www.ebook.edu.vn
Nhaän xeùt 5.3.2 Ñònh luaät Stefan – Boltzmann
0 khi O
Ôû moät nhieät ñoä nhaát ñònh, E oO 0 , sau ñoù Ñònh luaät naøy thieát laäp moái quan heä giöõa khaû naêng böùc
E oO taêng daàn ñaït ñeán giaù trò cöïc ñaïi ôû chieàu daøi böôùc soùng xaï baùn caàu cuûa vaät ñen tuyeät ñoái phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä.
O m , sau ñoù E oO giaûm daàn ñeán 0 khi O o f . f
³ E oO d O Vo T 4 W m 2
Eo (5-12)
Nhieät ñoä caøng cao böùc xaï caøng maïnh, ôû khoaûng 0
nhieät ñoä thöôøng gaëp trong kyõ thuaät, naêng löôïng böùc xaï
V o haèng soá chæ phuï thuoäc vaøo ñôn vò ño löôøng,
chuû yeáu taäp trung ôû giaûi böôùc soùng O 0,8 y 10
- Pm
trong heä SI
Nhieät ñoä caøng taêng thì giaù trò cöïc ñaïi O m cuûa quang
5,67.10 8 W (m 2 .K 4 )
Vo (5-13)
phoå caøng dòch veà phía böôùc soùng ngaén theo Ñònh luaät Vien
Om T Khaû naêng böùc xaï baùn caàu chính laø dieän tích giôùi haïn
2,8978 mm.K (5-11)
bôûi ñöôøng cong theå hieän treân ñoà thò sau
Vaät xaùm laø vaät coù quang phoå ñoàng daïng vôùi vaät
ñen tuyeät ñoái ôû taát caû caùc böôùc soùng: E O E oO const .
Thöïc nghieäm chöùng toû phaàn lôùn vaät lieäu trong kyõ thuaät laø
vaät xaùm.
Nguyeãn toaøn phong 9 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 10 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
- http://www.ebook.edu.vn
Trong kyõ thuaät, ñeå thuaän tieän cho tính toaùn ngöôøi ta 5.3.3 Ñònh luaät Kirchhof
thöôøng vieát ôû daïng sau: Ñònh luaät naøy thieát laäp moái quan heä giöõa khaû naêng böùc
xaï H cuûa vaät vôùi heä soá haáp thuï A.
4
§T·
Co ¨ 2
¸,Wm (5-14)
Eo
© 100 ¹ Xeùt hai taám phaúng ñaët song song nhö hình veõ vôùi ñaëc ñieåm
2 4
x Kích thöôùc lôùn so vôùi khoaûng caùch
Co 5,67 W (m .K ) - heä soá böùc xaï cuûa vaät ñen
x Vaät ñen coù nhieät ñoä To, khaû naêng böùc xaï Eo
tuyeät ñoái
x Vaät xaùm coøn laïi coù nhieät ñoä T1, khaû naêng böùc xaï
Trong tröôøng hôïp vaät xaùm, ta coù phöông trình ñoàng
E1, heä soá haáp thuï D1
daïng (ñaõ ñöôïc thöïc nghieäm kieåm chöùng)
4
§T· Vaät ñen Vaät xaùm
C¨ 2
¸,Wm (5-15)
E
© 100 ¹
T1
Eo
0 C C o - heä soá böùc xaï cuûa vaät xaùm To D1
Do=1
Khi so saùnh khaû naêng böùc xaï cuûa vaät xaùm vaø vaät ñen
D1.Eo
(1-D1).Eo
tuyeät ñoái ôû cuøng ñieàu kieän nhieät ñoä nhö nhau, ta ñöôïc moät
ñaïi löôïng ñaëc tröng nöõa cuûa vaät goïi laø ñoä ñen H
4
§T· E1
C¨ ¸
© 100 ¹
E C
H (5-16)
4
Nhieät löôïng trao ñoåi baèng böùc xaï giöõa 2 taám phaúng laø:
§T·
Eo Co
Co ¨ ¸
q E1 D1 E o
© 100 ¹
Ñoä ñen bieán thieân trong khoaûng: 0 H 1 Ôû ñieàu kieän caân baèng nhieät ñoäng: To T1 thì q 0
E1
Phöông trình 5-15 ñöôïc vieát laïi
E1 D1 E o
Hay 0 Eo
D1
4
§T·
E H Co ¨ 2
¸,Wm (5-17)
© 100 ¹
Nguyeãn toaøn phong 11 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 12 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
- http://www.ebook.edu.vn
Thay vaät xaùm 1 baèng vaät xaùm khaùc, xeùt töông töï, ta coù: § 5.4. Cöôøng Ñoä Böùc Xaï (theo phöông)
E3
E2
5.4.1 Khaùi nieäm veà goùc khoái
Eo Eo ...
D2 D3
Goùc khoái cuûa moät dieän tích dS so vôùi moät ñieåm ñöôïc
Toång quaùt ta coù: xaùc ñònh theo tyû soá giöõa dieän tích thaúng goùc vôùi ñieåm
ñang xeùt cos D.dS vaø khoaûng caùch r2
E1 E2 En
f T
-
... Eo (5-18)
dS cos D
D1 D2 Dn dZ , sr (5-21)
r2
Hay phaùt bieåu thaønh lôøi nhö sau:
“Trong ñieàu kieän caân baèng nhieät ñoäng, tyû soá giöõa khaû
naêng böùc xaï vaø heä soá haáp thuï cuûa vaät xaùm ñeàu baèng
nhau vaø baèng khaû naêng böùc xaï cuûa vaät ñen tuyeät ñoái Eo”
Ta coù:
4
§T·
C¨ ¸
© 100 ¹
E
HD (5-19)
4
§T·
Eo
Co ¨ ¸
© 100 ¹
Ñieàu naøy khaúng ñònh: vaät coù khaû naêng haáp thuï maïnh
thì cuõng coù khaû naêng böùc xaï maïnh.
Tröôøng hôïp goùc ñaëc cuûa moät khoái caàu
Caùc coâng thöùc treân thaønh laäp cho khaû naêng böùc xaï baùn
S 2S
caàu, vaø cuõng ñuùng cho tröôøng hôïp cuûa khaû naêng böùc xaï
³ sin T dT ³ dI 4S , sr
Z (5-22)
ñôn saéc:
0 0
E1O E2O E oO
f O, T
- Tröôøng hôïp baùn caàu
... Eo (5-20)
D1O D 2O D oO S2 2S
³ sin T dT ³ dI 2S , sr
Z (5-23)
0 0
Nguyeãn toaøn phong 13 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 14 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
- http://www.ebook.edu.vn
Neáu xem cöôøng ñoä böùc xaï theo phöông tröïc tuyeán laø
5.4.2 Böùc Xaï Theo Phöông
haèng soá, noù seõ ñöôïc xaùc ñònh nhö sau
Coâng thöùc xaùc ñònh maät ñoä böùc xaï theo 5-4 ñöôïc tính
S2 2S
trung bình theo taát caû caùc phöông, trong phaàn naøy ta xaùc
I n ³ cos T sin T dT ³ dI S.I n , W m 2 (5-26)
E
ñònh cöôøng ñoä böùc xaï phuï thuoäc theo phöông 0 0
Tröôøng hôïp vaät ñen
E o T
- Vo T 4
I b T
- , W m2 (5-27)
S S
Cöôøng ñoä böùc xaï theo phöông I e T, I
- laø tyû soá naêng
löôïng böùc xaï phaùt ra öùng vôùi moät ñôn vò dieän tích vaø moät
ñôn vò goùc ñaëc theo phöông naøy
dQ e
I e T, I
-
dA cos T dZ
, W (m 2 sr) (5-24)
dQ e
dA cos T sin T dT dI
Vaø böùc xaï treân moät ñôn vò dieän tích ñöôïc xaùc ñònh
dQ e
I e T, I
- cos T sin T dT dI , W m 2
dE (5-25)
dA
Nguyeãn toaøn phong 15 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät Nguyeãn toaøn phong 16 of 41 Chöông V – Böùc Xaï Nhieät
- http://www.ebook.edu.vn
Nhieät löôïng trao ñoåi giöõa hai phaân toá beà maët
§ 5.5. Trao Ñoåi Nhieät Böùc Xaï
Q dA12 Q dA1 odA 2 Q dA 2 odA1
Giöõa Hai Beà Maët Ñen
(5-29)
E 01 E 02 cos T1 cos T2
dA1 dA 2
5.5.1 Khaùi nieäm heä soá goùc
S r2
Xeùt trao ñoåi nhieät giöõa hai maët sau
Tích phaân phöông trình 5-29 treân toaøn dieän tích
A1 vaø A2 ta ñöôïc naêng löôïng trao ñoåi böùc xaï giöõa hai beà
maët nhìn thaáy nhau
E 01 E 02
nguon tai.lieu . vn