Những vật có màu sắc và hình dạng như thế nào thì hấp thụ bức xạ nhiệt càng mạnh

Bức xạ nhiệt là một trong những hiện tượng xảy ra khá phổ biến trong cuộc sống của chúng ta nhưng không phải ai cũng hiểu rõ khái niệm bức xạ nhiệt là gì và nếu bạn cũng vậy thì đừng bỏ qua bài viết dưới đây. Nó sẽ cung cấp cho bạn nhưng thông tin chi tiết nhất về các vấn đề liên quan đến bức xạ nhiệt.

Bức xạ nhiệt là gì

Giải thích khái niệm bức xạ nhiệt là gì?

Bức xạ nhiệt là bức xạ điện từ được tạo ra bởi chuyển động nhiệt của các hạt điện tích bên trong vật chất. Tất cả những vật chất có nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối đều có khả năng phát ra bức xạ nhiệt. Khi nhiệt độ của vật lớn hơn độ không tuyệt đối, sự va chạm giữa các nguyên tử hoạt động sẽ xảy ra và làm thay đổi động năng của các phân tử hoặc nguyên tử. Điều này đã làm tăng tốc điện tích và/hoặc gây các dao động lưỡng cực, từ đó sinh ra các bức xạ điện từ với độ rộng phổ của bức xạ tương ứng với độ rộng phổ của năng lượng và gia tốc ở một mức nhiệt độ cụ thể.

Ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, nếu một vật phát ra bức xạ đáp ứng các đặc tính vật lý của vật đen thì các bức xạ đó sẽ được gọi là bức xạ vật đen. Vật đen được định nghĩa là vật hấp thụ hoàn toàn các bức xạ điện từ chiếu đến nó dù ở bất kể bước sóng nào. Điều này đồng nghĩa với việc sẽ không có bất cứ hiện tượng phản xạ hay tán xạ nào xảy ra trên vật đó, cũng như không có dòng bức xạ điện từ nào đi xuyên qua vật.

Theo như định luật Planck mô tả thì quang phổ của bức xạ vật đen chỉ phụ thuộc vào yếu tố nhiệt độ của vật.

Đối lưu bức xạ nhiệt là gì? Đơn vị đo bức xạ nhiệt

Đối lưu bức xạ nhiệt là thuật ngữ dùng để chỉ sự trao đổi nhiệt cùng khả năng truyền dẫn nhiệt năng khi có sự chênh lệch của nhiệt độ. Ngoài ra thì hiện tượng này cũng có thể xảy ra khi có sự chuyển đổi chất khí hoặc chất lỏng ở các vùng nhiệt khác nhau. 

Có hai hình thức đối lưu bức xạ nhiệt, đó là đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức. 

Trong hệ đo lường quốc tế thì đơn vị được sử dụng để đo bức xạ nhiệt là W/m2.

Đặc điểm tính chất của bức xạ nhiệt

• Bản thân mỗi vật đều có một nhiệt độ nhất định nên nó luôn có bức xạ nhiệt và mức độ bức xạ của vật sẽ phụ thuộc rất nhiều vào giá trị nhiệt độ của vật.
• Cơ chế của hiện tượng bức xạ nhiệt là sự phát và thu năng lượng của các nguyên tử khi electron của chúng chuyển đổi từ mức năng lượng này sang một mức năng lượng khác.
• Bức xạ nhiệt có cùng bản chất với phản xạ khúc xạ, bức xạ thẳng, … nên khả năng hấp thụ tia nhiệt của các vật có sự khác nhau. Cụ thể là những vật có bề mặt xù xì và tối màu sẽ có khả năng hấp thụ tia nhiệt nhiều hơn. Điều này cũng lý giải cho việc vì sao khi mặc quần áo tối màu vào mùa hè, chúng ta thường cảm thấy nóng hơn dùng đồ sáng màu.
• Quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ luôn bao gồm 2 lần biến đổi dạng năng lượng, đó là quá trình biến nội năng thành sóng điện từ ở vật phát xạ và biến đổi ngược lại ở vật hấp thụ.
• Bức xạ nhiệt có tính chất hạt và tính chất sóng, đặc biệt là tốc độ bức xạ nhiệt cũng bằng với tốc độ ánh sáng.
• Bức xạ nhiệt có thể xảy ra cả trong môi trường chân không và nó là một trong những cơ chế cơ bản của truyền nhiệt.
• Bức xạ và nhiệt độ không khí: Nhiệt lượng do mặt trời mang đến luôn có sự thay đổi và nó phụ thuộc vào góc chiếu của tia mặt trời. Góc chiếu càng lớn thì nhiệt lượng càng lớn và ngược lại.

Những thông số đặc trưng của bức xạ nhiệt

1- Hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ và hệ số xuyên qua

Sơ đồ phân tán của năng lượng bức xạ

Dòng năng lượng mang bức xạ Q tới vật sẽ phản xạ một phần QR, một phần hấp thụ QA và một phần xuyên qua là QD. Do đó, năng lượng bức xạ tới vật sẽ là:

Q = QA + QR + QD hay QA/ Q + QR/Q + QD/Q = 1

Đặt:

• QA/Q = A là hệ số hấp thụ
• QR/Q = R là hệ số phản xạ
• QD/Q = D là hệ số xuyên qua

Ta sẽ có A + R + D =1

Các hệ số A, R, D phụ thuộc vào bản chất vật lý, nhiệt độ, trạng thái bề mặt của vật và chiều dài bước sóng của dòng bức xạ truyền tới vật. Các hệ số này đặc trưng cho tính chất của vật chất và được xác định bằng thực nghiệm như sau:

• Khi A = 1, tức R + D = 0 thì vật đen tuyệt đối.
• Khi R = 1, tức A + D = 0 thì vật trắng tuyệt đối.
• Khi D = 1, tức A + R = 0 thì vật trong tuyệt đối.

Các vật có hệ số A, R, D không phụ thuộc vào chiều dài của bước sóng được gọi là vật xám.

Trong kỹ thuật không có các vật mang tính chất tuyệt đối, các vật rắn và chất lỏng được xem là gần đúng có D = 0 và chúng được gọi là vật đục. Các chất khí có số nguyên tử trong phân tử ≤ 2 có thể được xem là vật trong tuyệt đối, tức là có D = 1.

2- Dòng bức xạ đơn sắc và dòng bức xạ toàn phần

• Dòng bức xạ đơn sắc là lượng nhiệt bức xạ phát ra từ một vật với bước sóng hoặc khoảng hẹp bước sóng xác định và được ký hiệu là Q/λ đơn vị W/m
• Dòng bức xạ toàn phần là lượng nhiệt bức xạ phát ra từ vật với mọi bước sóng điện tử trong 1 đơn vị thời gian và được ký hiệu là Q, đơn vị W.

3- Năng lượng bức xạ, cường độ bức xạ

• Năng lượng bức xạ là dòng bức xạ toàn phần trên một đơn vị diện tích bề mặt của vật và được ký hiệu là E, đơn vị W/m2.
• Cường độ bức xạ là năng suất bức xạ tương ứng với 1 khoảng hẹp bước sóng nào đó và được ký hiệu là Iλ, đơn vị là W/m3.

Năng suất bức xạ đặc trưng cho bức xạ nhiệt của vật được xác định là

4– Năng suất bức xạ hiệu dụng, năng suất bức xạ hiệu quả

- Năng suất bức xạ hiệu dụng Ehd được định nghĩa là tổng năng suất bức xạ của bản thân và bức xạ phản xạ. Nó được xác định là:

Ehd = E + ER = E + R.Et

Trong đó, Et và ER lần lượt là năng suất bức xạ tới và năng suất bức xạ phản xạ.

Đối với vật đục R = 1 – A thì năng suất bức xạ hiệu dụng được xác định là: 

Ehd = E + (1 – A).Et

Với năng suất bức xạ hiệu dụng, vật còn có thể hấp thụ năng lượng gửi tới với năng suất hấp thụ là EA = A.Et

- Năng suất bức xạ hiệu quả được hiểu là hiệu của năng suất bức xạ bản thân và năng suất hấp thụ EA. Nó được xác định bằng công thức

q = E – EA

Năng suất bức xạ hiệu quả chính là dòng nhiệt trao đổi trên một đơn vị diện tích bề mặt giữa vật bức xạ với môi trường.  Nó xảy ra các trường hợp như sau:

• Nếu q > 0, tức E > EA thì vật phát ra năng lượng bức xạ vào môi trường.
• Nếu q < 0, tức E < EA thì vật nhận năng lượng bức xạ từ môi trường.
• Nếu q = 0, tức E = EA thì vật không trao đổi năng lượng bức xạ với môi trường.

Từ biểu thức Ehd, ta có

Ehd = E/A ± (1 – 1/A/)

Dấu (+) xảy ra với trường hợp vật nhận nhiệt còn dấu (-) xảy ra với trường hợp vật toả nhiệt.

Các định luật cơ bản của bức xạ nhiệt

1- Định luật Planck

Định luật Planck miêu tả bức xạ điện từ phát ra từ vật đen khi ở trạng thái cân bằng nhiệt tại một nhiệt độ nhất định. Định luật này được đặt theo tên nhà vật lý học đã nêu ra đó vào năm 1900, đó là Max Planck. Đây được xem là định luật tạo bước tiên phong đầu tiên của vật lý hiện đại và cơ học lượng tử.

Định luật Planck được biểu thị theo tần số v hoặc bước sóng λ như sau :

hoặc

Trong đó B là cường độ bức xạ (spectral radiance), T là nhiệt độ tuyệt đối, h là hằng số Planck, kB là hằng số Boltzmann và c là tốc độ của ánh sáng trong môi trường thông thường hoặc trong chân không.

Theo đơn vị đo lường SI thì W·sr−1·m−2·Hz−1 là đơn vị của Bν(T) và W·sr−1·m−3 là đơn vị của với Bλ(T). Định luật này cũng có thể biểu diễn như mật độ năng lượng trong thể tích chứa bức xạ hoặc số lượng photon phát ra tại một bước sóng xác định. Trong giới hạn đối với những tần số nhỏ hoặc bước sóng dài thì định luật Planck tương đương với định luật Rayleigh – Jeans còn đối với trường hợp tần số lớn hoặc bước sóng nhỏ thì định luật này xấp xỉ tương đương với Wien hoặc định luật dịch chuyển Wien.

Biểu đồ năng suất bức xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối

2– Định luật Stefan – Boltzman

Định luật Stefan–Boltzmann miêu tả năng lượng bức xạ từ một vật đen tương ứng với nhiệt độ cho trước, cụ thể là tổng năng lượng bức xạ trên một đơn vị diện tích bề mặt của một vật đen qua tất cả các bước sóng trong một đơn vị thời gian j* sẽ tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ nhiệt động của vật thể T. Công thức biểu thị sẽ là

j* = ϭ.T4

Hệ số tỉ lệ σ là hằng số Stefan – Boltzmann nhận được từ những hằng số tự nhiên khác. Giá trị của nó được xác định là

Trong đó k là hằng số Boltzmann, c là vận tốc ánh sáng trong môi trường chân không và hằng số Planck.  Như vậy, tại nhiệt độ 100°K, thông lượng năng lượng là 5,67 W/m2 còn tại nhiệt độ 1000°K thì thông lượng năng lượng là 56700 W/m2, v.v. Bức xạ (W trên m2 trên góc khối) được xác định bởi công thức:

L = j*/π = σ. T4/ π

Các vật thể không hấp thụ tất cả những bức xạ tới (vật xám) phát ra tổng năng lượng ít hơn vật đen và được đặc trưng bởi độ phát xạ, emissivity: ε < 1.

j* = ε . σ. T4

Độ rọi bức xạ hay chính là khả năng bức xạ, j* có thứ nguyên của thông lượng năng lượng, tức là năng lượng trên một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích, và trong hệ đo lường quốc tế SI là J/s/m2 tương đương là W/m2. Đơn vị SI của nhiệt độ tuyệt đối T là K (Kelvin), ε là độ phát xạ của vật xám và ε =1 nếu nó là vật đen tuyệt đối. Trong thực tế thì độ hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng ε = ε (λ).

Để tính tổng công suất phát ra từ một vật thể, ta nhân tổng lượng bức xạ với diện tích bề mặt của là A:

P = A. j* = A. ε . σ. T4

Siêu vật liệu, các hạt có kích cỡ bước sóng hoặc một phần bước sóng và những cấu trúc nano không chịu giới hạn tia quang học có thể được thiết kế để mở rộng định luật Stefan-Boltzmann.

3– Định luật Kirchhoff

Tỷ số giữa hệ số phát xạ đơn sắc và hệ số hấp thụ đơn sắc của 1 vật bất kỳ ở trạng thái bức xạ nhiệt cân bằng không phụ thuộc vào bản chất của vật đó, mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T của nó và bước sóng của chùm bức xạ đơn sắc đang xét, nghĩa là: 

- trong đó là hàm số chung cho mọi vật nên được gọi là hàm phổ biến. Nó chỉ phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ đơn sắc và nhiệt độ T của vật bức xạ nhiệt cân bằng.

Hàm phổ biến chính là hệ số phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối. Khi đó

4 – Định luật Lambert

Định luật Lambert xác định nhiệt lượng bức xạ theo 1 hướng. Bề mặt dF1 bức xạ năng lượng cho bề mặt dF2, bề mặt dF1 có pháp tuyến là n nhìn từ bề mặt dF2 một góc không gian là d І và bề mặt dF2 thì nằm ở hướng tạo với pháp tuyến một góc .

Năng lượng bức xạ đi từ bề mặt dF1 đến bề mặt dF2 theo hướng với góc không gian d| và tỉ lệ với cosφ. Ta có

dQφ = dQn. d|. cosφ

Năng suất bức xạ theo hướng pháp tuyến được ký hiệu là En, năng lượng bức xạ theo hướng pháp tuyến được xác định là:

dQn = En. dF1 hay dQφ = En. dF1. d|. cosφ

Từ công thức trên ta thấy năng lượng bức xạ theo hướng pháp tuyến, φ = 0 là lớn nhất. Khi tăng góc φ thì năng lượng dQ giảm còn khi φ = 90 độ thì dòng năng lượng bức xạ dQ = 0/

Bằng phương pháp giải tích, ta sẽ xác định được:

Vậy năng suất bức xạ toàn phần E bằng khác với lần năng suất bức xạ theo hướng vuông góc En.

Biểu thức của định luật Lambert có thể được viết là: 

Định luật này đúng cho vật đen tuyệt đối còn đối với vật thực thì định luật này chỉ đúng khi ở trong vùng góc √ 60 o

Một số ví dụ về hiện tượng bức xạ nhiệt 

Hiện tượng bức xạ nhiệt phổ biến nhất mà chúng ta thường bắt gặp trong cuộc sống chính là  tình trạng nóng lên của ô tô khi bị ánh nắng mặt trời chiếu vào. Cụ thể thì lượng nhiệt từ ánh sáng mặt trời sẽ xuyên qua cửa kính của ô tô và làm tăng nhiệt độ bên trong xe, bao gồm cả lớp vỏ bọc của xe. Bạn có thể cảm nhận điều này một cách rất rõ ràng khi bước vào trong xe những ngày hè.

Ánh sáng mặt trời sẽ xuyên qua cửa kính của ô tô và làm tăng nhiệt độ bên trong xe

Một ví dụ khác của hiện tượng bức xạ nhiệt, đó chính là vào những ngày nắng nóng, ánh sáng và nhiệt từ mặt trời chiếu vào các góc tường nhà đã làm tăng nhiệt độ trong phòng. Điều này đã lý giải cho việc dù ở trong nhà và không tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời thì chúng ta vẫn cảm thấy sức nóng hầm hập của ánh nắng.

Ảnh hưởng của bức xạ nhiệt đối với con người

- Bức xạ nhiệt có thể là tác nhân xấu gây tác động trực tiếp đến da và mắt của con người, nhất là tia cực tím có trong ánh sáng mặt trời.

Bức xạ nhiệt có thể là tác nhân xấu gây tác động trực tiếp đến da và mắt

- Tác động đến men sống của cơ thể con người tại nhiều tuyến và nguồn tế bào khác nhau.

- Là tác nhân gây suy giảm hệ thống miễn dịch ở người và gây ra các căn bệnh về đường hô hấp như viêm mũi, viêm xoang, thậm chí là sức khỏe sinh sản hay mức độ stress của của con người cũng bị ảnh hưởng.

Là tác nhân gây suy giảm hệ thống miễn dịch ở người

Một số ứng dụng chính của bức xạ nhiệt

Mặc dù bức xạ nhiệt gây ra khá nhiều tác hại đối với con người nhưng nếu sử dụng đúng cách thì bức xạ nhiệt cũng rất hữu ích. Dưới đây là một số ứng dụng rất quan trọng, điển hình của bức xạ nhiệt:

- Hỗ trợ soi chiếu an ninh hải quan, góp phần đảm bảo an ninh chủ quyền biển đảo của nước nhà. Đây được xem là một trong những ứng dụng đặc biệt quan trọng của bức xạ nhiệt.

- Ứng dụng trong công nghệ hạt nhân.

- Mang đến giải pháp chữa trị cho những căn bệnh hiểm nghèo nguy hiểm trong y học.

- Ngày nay, bức xạ nhiệt cũng được ứng dụng rộng rãi trong kinh tế, kỹ thuật, hỗ trợ quá trình sản xuất chế biến thực phẩm và các vật dụng hàng ngày.

Vậy là chúng tôi đã giúp các bạn giải đáp được câu hỏi bức xạ nhiệt là gì cũng như các vấn đề liên quan đến bức xạ nhiệt. Để bài viết hoàn thiện hơn, chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc. Mọi ý kiến đóng góp hoặc thắc mắc, các bạn vui lòng để lại tại phần đánh giá, bình luận tại website https://ammonia-vietchem.vn/.

Xem thêm: