Truyền nhiệt bức xạ là gì

Truyền nhiệt bức xạ là một cơ chế trao đổi năng lượng diễn ra nhờ sóng điện từ, không đòi hỏi môi chất trung gian, khác biệt với dẫn nhiệt (conduction) và đối lưu (convection) vốn phụ thuộc vào sự tiếp xúc hoặc chuyển động của vật chất. Khi một vật có nhiệt độ lớn hơn 0 K, các điện tử trong nguyên tử, phân tử bên trong vật có thể chuyển mức năng lượng và phát ra bức xạ điện từ.

Hiện tượng này quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ kỹ thuật điện, nhiệt, đến vật lý thiên văn, vì nó chi phối cách năng lượng truyền đi trong không gian, đặc biệt trong môi trường chân không hoặc nơi mà dẫn nhiệt và đối lưu không thể đóng vai trò lớn.
Về mặt hiện tượng, dễ thấy nhất là ánh sáng Mặt Trời truyền qua không gian chân không đến Trái Đất.

Xem thêm:

Giải thích truyền nhiệt đối lưu

Giải thích dẫn nhiệt dễ hiểu

Cơ chế của truyền nhiệt bức xạ

Nguồn năng lượng chính phát ra từ bề mặt Mặt Trời được mang theo các sóng điện từ (photon), khiến bề mặt Trái Đất ấm lên dù không có môi chất dẫn nhiệt giữa hai vật thể này. Tương tự, một lò sưởi hồng ngoại phát nhiệt qua bức xạ khiến ta cảm nhận hơi ấm dù không khí xung quanh không phải là phương tiện truyền dẫn chính. Điều này minh họa rõ ràng rằng bức xạ truyền nhiệt một cách độc lập, không cần va chạm phân tử hay dòng chảy chất lỏng.

Để giải thích ý nghĩa, trước hết cần hiểu khái niệm bức xạ lý tưởng của vật đen (blackbody). Bề mặt đen tuyệt đối là đối tượng hấp thụ và phát xạ mạnh nhất tại cùng một nhiệt độ, có khả năng phát bức xạ đạt đến giới hạn tối đa. Định luật Stefan-Boltzmann được nêu rõ trong tài liệu cho biết công suất bức xạ riêng của vật đen được biểu diễn dưới dạng:

$E_b=\sigma T_s^4$

trong đó $E_b\left(\mathrm{~W} / \mathrm{m}^2\right)$ là suất phát xạ của vật đen tại nhiệt độ tuyệt đối $T_s(\mathrm{~K})$ , và $\sigma$ là hằng số StefanBoltzmann $\sigma=5,67 \times 10^{-8} \mathrm{~W} /\left(\mathrm{m}^2 \cdot \mathrm{~K}^4\right)$ .

Công thức này cho thấy bức xạ phát ra tăng nhanh với lũy thừa bốn của nhiệt độ, giải thích vì sao một vật nóng hơn nhiều lại tỏa nhiệt đáng kể qua bức xạ. Tuy nhiên, không phải bề mặt thực tế nào cũng đạt được mức phát xạ cao nhất của vật đen. Thay vào đó, theo tài liệu, một bề mặt thật có suất phát xạ thực tế $E$ bẳng:

$E=\varepsilon \sigma T_s^4$

trong đó $\varepsilon(0 \leq \varepsilon \leq 1)$ là độ phát xạ (emissivity), chỉ ra khả năng phát xạ của bề mặt so với vật đen lý tưởng cùng nhiệt độ. Nếu $\varepsilon$ gần bằng 1 , bề mặt phát xạ rất mạnh; nếu $\varepsilon$ thấp, bề mặt kém hiệu quả trong việc bức xạ nhiệt.

Tiếp theo, cần xem xét bức xạ tới (irradiation), được ký hiệu là G. Bức xạ tới là bức xạ từ môi trường xung quanh hoặc từ các nguồn đặc biệt (như Mặt Trời) chiếu vào bề mặt. Khi bức xạ này gặp một bề mặt, nó có thể bị hấp thụ (absorption), phản xạ (reflection) hoặc truyền qua (transmission) nếu bề mặt trong suốt một phần. Với bề mặt đục (opaque) như kim loại, chủ yếu có hai quá trình: hấp thụ và phản xạ. Tỷ lệ bức xạ bị hấp thụ được xác định bởi hệ số hấp thụ α.

$G_{\mathrm{abs}}=\alpha G .$

Nếu một bề mặt có $\alpha=1$ , nghĩa là hấp thụ toàn bộ bức xạ tới (giống vật đen tuyệt đối). Nếu $\alpha<1$ , phần còn lại bị phản xạ. Trong trường hợp bề mặt nhỏ có nhiệt độ $T_s$ được đặt trong môi trường có nhiệt độ không đổi $T_{\text {sur }}$ , tài liệu xây dựng mô hình bức xạ giữa bề mặt này và môi trường xung quanh.

Khi môi trường xung quanh rất rộng (ví dụ tường trong một căn phòng hay vách lò nung), ta có thể giả định bức xạ tới $G$ xấp xỉ bằng bức xạ vật đen ở nhiệt độ $T_{\text {sur }}$ , tức $G=\sigma T_{\text {sur }}^4$ .

Nếu bề mặt được coi là “màu xám” (gray surface) với $\alpha=\varepsilon$ , tổng bức xạ phát ra và hấp thụ rút gọn thành dạng:

$q_{\mathrm{rad}}^{\prime \prime}=\varepsilon \sigma\left(T_s^4-T_{\mathrm{sur}}^4\right)$

phản ánh mức độ mất nhiệt (nếu $T_s>T_{\text {sur }}$ ) hoặc nhận nhiệt (nếu $T_s<T_{\text {sur }}$ ) qua bức xạ.

Nếu cộng hai khái niệm này lại, phương trình tổng quát (tham chiếu từ tài liệu) cho biết:

$q=q_{\mathrm{conv}}+q_{\mathrm{rad}}$

Công thức đó gợi ý phương pháp tính toán tổng thể, trong đó kỹ sư có thể ước tính hoặc xác định các hệ số (như $\varepsilon, \sigma, h$ ) rồi ráp vào để tìm ra tốc độ mất nhiệt hay nhận nhiệt của một bề mặt. Phân tích này rất quan trọng trong việc thiết kế, ví dụ, hệ thống sưởi hồng ngoại, lò nung, hay tấm pin mặt trời, nơii bức xạ đóng vai trò then chốt.

Hơn nữa, để tiếp cận vấn đề ở cấp độ sinh viên năm nhất, cần nhấn mạnh rẳng sự khác biệt nổi bật của bức xạ nằm ở bản chất điện từ (electromagnetic). Không khí có thể hoàn toàn trong suốt với một dải bức xạ (như ánh sáng nhìn thấy), nhưng lại hấp thụ mạnh ở dải khác (như tia hồng ngoại).

Các tính chất phát xạ và hấp thụ của một bề mặt liên quan chặt chẽ đến cấu trúc vật liệu, lớp phủ bề mặt, cũng như bước sóng của bức xạ. Tữ góc độ kỹ thuật điện, hiểu về bức xạ nhiệt giúp chúng ta đánh giá tản nhiệt trong các linh kiện bán dẫn; nhiều vật liệu dùng làm vỏ bọc hay tản nhiệt được thiết kế với $\varepsilon$ thích hợp để nâng cao hoặc hạn chế khả năng phát xạ nhiệt.

Truyền nhiệt bức xạ là gì?

Vì sao IEC 60228 yêu cầu busbar phải dùng đồng ủ mềm?

Các phương pháp hạn chế tích nhiệt trong vật liệu xây dựng

Tích nhiệt trong vật liệu xây dựng là gì?

Leave A Reply Cancel Reply