Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 13556:2023 ISO 9288:1989 Cách nhiệt. Truyền nhiệt bằng bức xạ

Thuật ngữ

Ký hiệu

Đơn vị (bao gồm cả dấu nhân hoặc chia)

4.1  Lưu lượng dòng bức xạ nhiệt; thông lượng bức xạ (radiant heat flow rate; radiant flux)

Lưu lượng dòng nhiệt phát xạ, lan truyền hoặc tiếp nhận bởi một hệ ở dạng sóng điện từ.

CHÚ THÍCH: Thuật ngữ này chỉ đại lượng bức xạ bán cầu toàn phần

Φ

W

4.2  Cường độ toàn phần (total intensity)

Lưu lượng dòng bức xạ nhiệt chia cho góc khối theo hướng:

l_Ω

W/sr

4.3  Đại lượng bức xạ toàn phần (total radiance)

Lưu lượng dòng bức xạ nhiệt chia cho góc khối theo hướng  và diện tích pháp tuyến chiếu theo hướng này.

L_Ω

W/(m².sr)

4.4  Lưu lượng dòng nhiệt bức xạ phổ (spectral radiant heat flow rate)

Lưu lượng dòng bức xạ nhiệt chia cho khoảng quang phổ có tâm là bước sóng λ.

Φ_λ

W/m

W/μm

4.5  Cường độ phổ (spectral intensity)

Cường độ toàn phần chia cho khoảng quang phổ có tâm là bước sóng λ.

l_Ωλ

w/(sr.m)

w/(sr.μm)

4.6  Bức xạ phổ (spectral radiance)

Bức xạ toàn phần chia cho cho khoảng quang phổ có tâm là bước sóng λ.

CHÚ THÍCH:

1. Mỗi đại lượng phổ A_λ đều có mối liên hệ tới đại lượng toàn phần A tương ứng như sau:

 hoặc

Mỗi đại lượng theo hướng đều có mối liên hệ tới đại lượng bán cầu A tương ứng như sau:

 hoặc  và  hoặc

2. Bức xạ toàn phần và bức xạ phổ là các đại lượng có hướng (véctơ) được xác định tại từng điểm không gian có bức xạ (xem Hình 3), các giá trị này phụ thuộc vào diện tích bề mặt sử dụng để xác định các đại lượng đó. Các nguồn bức xạ với hằng số L_Ω được gọi là đẳng hướng hoặc khuếch tán.

Cường độ cũng là các đại lượng có hướng nhưng là các đại lượng liên quan đến bề mặt (xem Hình 2).

L_Ωλ

W/(m³.sr)

W/(m².sr.μm)

Dòng bức xạ (toàn phần hoặc phổ) không phải là các đại lượng có hướng và là các đại lượng liên quan tới bề mặt.

4.7  Mật độ bức xạ phổ của véctơ lưu lượng dòng nhiệt (spectral radiant density of heat flow rate vector)

w/(m².μm)

4.8  Mật độ bức xạ toàn phần của véctơ lưu lượng dòng nhiệt (total radiant density of heat flow rate vector)

W/m³

W/m²

4.9  Mật độ bức xạ phổ của lưu lượng dòng nhiệt (spectral radiant density of heat flow rate) (theo hướng )

q_r,λn

W/m³

W/(m².μm)

4.10  Thành phần cùng chiều với mật độ bức xạ phổ của lưu lượng dòng nhiệt (forward component of the spectral radiant density of heat flow rate)

W/m³

W/(m².μm)

4.11  Thành phần ngược chiều với mật độ bức xạ phổ của lưu lượng dòng nhiệt (backward component of the spectral radiant density of heat flow rate)

CHÚ THÍCH:

1. Có thể biểu diễn q_r,λn như sau:

2. Trong trường hợp kết hợp dẫn nhiệt đơn hướng và truyền bức xạ theo hướng , ta có:

Trong đó

 là cường độ dòng nhiệt được định nghĩa theo TCVN 9313:2012 (ISO 7345:1987), 2.3;

 là cường độ dòng nhiệt bởi dẫn nhiệt;

 là cường độ bức xạ toàn phần của véctơ lưu lượng dòng nhiệt;

 có thể được xác định bằng thực nghiệm theo phương pháp tấm nóng được bảo vệ hoặc phương pháp đo dòng nhiệt.

W/(m².μm)

Thuật ngữ

Ký hiệu

Đơn vị (bao gồm cả dấu nhân hoặc chia)

5.1  Phát xạ (emission)

Quá trình trong đó nhiệt (do sự chuyển động phân tử trong pha khí hoặc dao động nguyên tử trong pha rắn...) được chuyển đổi thành sóng điện từ.

5.2  Năng suất bức xạ toàn phần (total excitance)

Lưu lượng dòng nhiệt bức xạ được phát xạ bởi một bề mặt chia cho diện tích bề mặt phát xạ:

CHÚ THÍCH:

M là mật độ diện tích của dòng nhiệt tại mỗi điểm trên bề mặt phát xạ. Đây là đại lượng tổng cộng bức xạ bán cầu.

M

W/m²

5.3  Năng suất bức xạ phổ (spectral excitance)

Năng suất bức xạ toàn phần chia cho khoảng phổ có tâm tại bước sóng λ.

M_λ

W/m³

W/(m².μm)

5.4  Vật đen (black body) (vật bức xạ toàn phần hoặc bức xạ Planck)

Vật đen là vật hấp thụ toàn bộ bức xạ tới với mọi bước sóng, mọi hướng và mọi độ phân cực.

Tại mỗi nhiệt độ nhất định, mỗi bước sóng phát xạ một năng lượng nhiệt cực đại (Bức xạ phổ cực đại). Kết hợp với định luật định nghĩa sự phát xạ, nên sự phát xạ của vật thể thực có thể được so sánh với với một vật đen.

CHÚ THÍCH: Thuật ngữ có liên quan đến vật đen được ký hiệu chỉ số trên là (°).

5.5  Năng suất bức xạ toàn phần của vật đen (black body total excitance) Được đưa ra theo định luật Stefan-Boltzmann:

M° = σT⁴

Trong đó: σ là hằng số Stefan-Boltzmann và bằng 5,67 x 10^-8 W/(m².K⁴);

T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen.

M°

W/m²

5.6  Năng suất bức xạ phổ của vật đen (black body spectral excitance)

Xác định bởi định luật Planck, thể hiện mỗi liên hệ giữa  ứng với bước sóng λ và nhiệt độ tuyệt đối của vật đen.

Trong đó

h và k tương ứng là hằng số Planck và hằng số Boltzmann, c₀ là tốc độ sóng điện từ trong chân không.

Có thể vẽ được đường cong  có giá trị lớn nhất tại bước sóng λ_m ứng với mỗi nhiệt độ, λ_m là một hàm của nhiệt độ nhưng giá trị λ_m. T là một hằng số (định luật chuyển dời của Wien):

λ_m.T = 2,898 x 10^-3 m.K

M° và  là các thuật ngữ bức xạ bán cầu.

Sự phát xạ của vật đen là đẳng hướng hoặc khuếch tán, ví dụ L° và  không phụ thuộc vào hướng phát xạ (định luật Lambert).

Bức xạ phổ hoặc toàn phần của vật đen được thể hiện bởi

W/m³

W/(m².μm)

5.7  Phát xạ của các vật thực (emission of real bodies)

Việc đánh giá các tính chất phát xạ của vật thực so với vật đen ở cùng các điều kiện nhiệt độ là tương đối. Thông thường, các tính chất này phụ thuộc vào bản chất và bề mặt của vật thể và thay đổi theo bước sóng, hướng phát xạ và nhiệt độ bề mặt.

5.8  Độ phát xạ toàn phần theo hướng (total directional emissivity)

Bức xạ toàn phần, L_Ω, bởi bề mặt đang xem xét chia cho bức xạ toàn phần của vật đen, , ở cùng nhiệt độ:

ε_Ω

5.9  Độ phát xạ phổ theo hướng (spectral directional emissivity)

Bức xạ phổ, L_Ωλ, của bề mặt đang xem xét chia cho bức xạ phổ của vật đen, , ở cùng nhiệt độ.

ε_Ωλ

5.10  Độ phát xạ toàn phần bán cầu (total hemispherical emisslvity) Năng suất bức xạ toàn phần, M , của bề mặt đang xem xét chia cho năng suất bức xạ toàn phần của vật đen, M° ở cùng nhiệt độ.

ε

5.11  Độ phát xạ phổ bán cầu (spectral hemispherical emissivity) Năng suất bức xạ phổ, M_λ, của bề mặt đang xem xét chia cho năng suất bức xạ phổ của vật đen,  ở cùng nhiệt độ.

ε_λ

5.12  Vật xám (grey body)

Vật phát xạ nhiệt có bức xạ phổ theo hướng hoặc bán cầu không phụ thuộc vào bước sóng:

ε_λ = ε.ε_Ωλ = ε_Ω

5.13  Vật phát xạ đẳng hướng (isotropically emitting body)

Vật phát xạ nhiệt có bức xạ phổ hoặc toàn phần không phụ thuộc vào hướng phát xạ.

ε_Ω = ε.ε_Ωλ = ε_λ

5.14  Vật xám phát xạ đẳng hướng (isotropically emitting grey body) Vật phát xạ nhiệt có bức xạ không phụ thuộc vào cả bước sóng và hướng phát xạ.

ε_λ = ε_Ωλ = ε_Ω = ε

Độ phát xạ này có thể thay đổi theo nhiệt độ: ε(T).

CHÚ THÍCH: Trong tính toán thường chấp nhận giả thuyết bề mặt vật xám và vật phát xạ đẳng hướng, có bức xạ không phụ thuộc vào bước sóng và hướng phát xạ. Trong trường hợp này các bức xạ khác nhau của bề mặt giảm xuống chỉ còn một thông số, ε.

Thuật ngữ

Ký hiệu

Đơn vị (bao gồm cả dấu nhân hoặc chia)

6.1  Cường độ bức xạ toàn phần (total irradiance)

Lưu lượng dòng bức xạ nhiệt nhận bởi bề mặt chia cho diện tích bề mặt đó.

CHÚ THÍCH: E là mật độ diện tích của lưu lượng dòng nhiệt bức xạ tại mỗi điểm trên bề mặt phát xạ. Đây là tổng các giá trị bán cầu.

E

W/m²

6.2  Cường độ bức xạ phổ (spectral irradiance)

Cường độ bức xạ chia cho khoảng phổ có tâm tại bước sóng λ.

E_λ

W/m³

W/(m².μm)

6.3  Độ phát xạ toàn phần (total radlosity)

Lưu lượng dòng bức xạ nhiệt được phát xạ hoặc phản xạ bởi bề mặt vật không trong suốt chia cho diện tích bề mặt đó.

CHÚ THÍCH: J là mật độ diện tích của lưu lượng dòng nhiệt tại mỗi điểm trên bề mặt vật không trong suốt cũng như trên bề mặt phát xạ và phản xạ.

J

W/m²

6.4  Độ phát xạ phổ (spectral radiosity)

Cường độ phát xạ toàn phần chia cho khoảng phổ có tâm tại bước sóng λ.

J_λ

W/m³

W/(m².μm)

6.5  Độ hấp thụ toàn phần (total absorptance)

Lưu lượng dòng bức xạ nhiệt hấp thụ bởi bề mặt, Φ_a, chia cho lưu lượng dòng bức xạ nhiệt chiếu tới, Φ_t:

α

6.6  Độ phản xạ toàn phần (total reflectance)

Lưu lượng dòng bức xạ nhiệt phản xạ bởi bề mặt, Φ_r, chia cho lưu lượng dòng bức xạ nhiệt chiếu tới, Φ_i.

ρ

6.7  Độ truyền qua toàn phần (total transmittance)

Lưu lượng dòng nhiệt bức xạ truyền qua bề mặt, Φ_t, chia cho lưu lượng dòng nhiệt bức xạ tới, Φ_i.

6.8  Độ hấp thụ phổ (spectral absorptance)

Lưu lượng dòng bức xạ phổ hấp thụ bởi bề mặt, Φ_λα, chia cho lưu lượng dòng bức xạ phổ chiếu tới, giả định rằng bức xạ chiếu tới là đẳng hướng:

α_λ

6.9  Độ phản xạ phổ (spectral reflectance)

Lưu lượng dòng nhiệt bức xạ phổ phản xạ bởi bề mặt, Φ_λr, chia cho lưu lượng dòng nhiệt bức xạ phổ chiếu tới, giả định rằng bức xạ chiếu tới là đẳng hướng:

p_λ

6.10  Độ truyền qua phổ (spectral transmittance)

Lưu lượng dòng nhiệt bức xạ phổ truyền qua bề mặt, Φ_λt,  chia cho lưu lượng dòng nhiệt bức xạ phổ chiếu tới, giả định rằng bức xạ chiếu tới là đẳng hướng:

6.11  Độ hấp thụ phổ theo hướng (spectral directional absorptance)

Bức xạ phổ hấp thụ bởi bề mặt, L_Ωλα, chia cho bức xạ phổ chiếu tới theo hướng, L_Ωλi.

α_Ωλ

6.12  Độ phản xạ phổ theo hướng (spectral directional reflectance)

Bức xạ phổ phản xạ bởi bề mặt theo hướng Ω’, L_Ωλr, chia cho bức xạ phổ chiếu tới theo hướng, L_Ωλi.

CHÚ THÍCH: Phản xạ có thể khuếch tán hoặc phản chiếu.

p_Ωλ

6.13  Độ truyền qua phổ theo hướng (spectral directional transmittance)

Bức xạ phổ truyền qua bởi bề mặt theo hướng Ω’, L_Ωλt, chia cho bức xạ phổ chiếu tới theo hướng, L_Ωλi.

CHÚ THÍCH: Truyền qua có thể khuếch tán hoặc không có định hướng.

Thuật ngữ

Ký hiệu

Đơn vị (bao gồm cả dấu nhân hoặc chia)

7.1  Hệ số tắt dần phổ theo hướng (spectral directional extinction coefficient)

Sự giảm dần tuyến tính của bức xạ phổ phụ thuộc vào khả năng hấp thụ theo hướng  và tán xạ dọc theo các hướng khác, chia cho bức xạ phổ chiếu tới:

β_Ωλ

m^-1

7.2  Hệ số hấp thụ phổ theo hướng (spectral directional absorption coefficient)

Sự giảm dần tuyến tính của bức xạ phổ phụ thuộc vào khả năng hấp thụ theo hướng , chia cho bức xạ phổ chiếu tới:

X_Ωλ

m^-1

7.3  Hệ số tán xạ phổ theo hướng (spectral directional scattering coefficient)

Sự giảm dần tuyến tính của bức xạ phổ phụ thuộc vào khả năng tán xạ theo hướng , chia cho bức xạ phổ chiếu tới:

CHÚ THÍCH: Các đại lượng β_Ωλ, X_Ωλ và σ_Ωλ liên hệ với nhau theo công thức:

β_Ωλ = X_Ωλ + σ_Ωλ

σ_Ωλ

m^-1

7.4  Hệ số tắt dần phổ khối theo hướng (mass spectral directional extinction coefficient)

Hệ số tắt dần phổ theo hướng chia cho tỷ trọng của môi trường bán trong suốt:

β'_Ωλ

m²/kg

7.5  Hệ số hấp thụ phổ khối theo hướng (mass spectral directional absorption coefficient)

Hệ số hấp thụ phổ theo hướng chia cho tỷ trọng của môi trường bán trong suốt:

X'_Ωλ

m²/kg

7.6  Hệ số tán xạ phổ khối theo hướng (mass spectral directional scattering coefficient)

Hệ số tán xạ phổ theo hướng chia cho tỷ trọng của môi trường bán trong suốt:

CHÚ THÍCH: - Nếu môi trường bán trong suốt là vật đẳng hướng:

- Nếu là vật xám và đẳng hướng:

σ'_Ωλ

m²/kg

7.7  Chiều dày quang học phổ theo hướng (spectral directional optical thickness): Được xác định bởi công thức

chiều dày lớp d, là giá trị đo khả năng bức xạ nhiệt giảm dần theo bước sóng λ khi xuyên qua khoảng cách vật liệu bán trong suốt xác định. Đối với các lớp đồng nhất đẳng hướng và đẳng nhiệt thi β_Ωλ(d) = hằng số, và  = β_λ.d.

7.8  Hàm số pha (phase function)

Hàm số toán học mô tả sự phân bố không gian của bức xạ tán xạ:

Đại diện cho xác suất bức xạ chiếu tới bên trong góc khối dΩ’ theo hướng  bị tán xạ trên một đơn vị góc khối theo hướng .

CHÚ THÍCH: Đây là đặc tính của vật liệu tán xạ không đẳng hướng. Nếu bức xạ tán xạ là đẳng hướng thì .

p_λ

7.9  Suất phản chiếu (albedo) phổ theo hướng (spectral directional albedo)

Hệ số tán xạ phổ theo hướng chia cho hệ số tắt dần phổ theo hướng:

CHÚ THÍCH: Với môi trường đẳng hướng, ω_Ωλ không phụ thuộc vào hướng và thuật ngữ ω_λ có thể được thay thế. Trong quá trình hấp thụ, môi trường không tán xạ (σ_λ = 0), ω_λ = 0, và quá trình không hấp thụ tán xạ (x_λ - 0), ω_λ = 0.

ω_Ωλ

7.10  Lớp phẳng bán trong suốt (semi-transparent plane layer)

Lớp bán trong suốt chiều dày d, được giới hạn bởi lớp biên song song hoặc đường biên song song vô hạn, với các đặc tính quang học và nhiệt xác định.

7.11  Phương trình truyền bức xạ (equation of radiative transfer)

Mối quan hệ toán học mô tả sự thay đổi bức xạ phổ trong môi trường hấp thụ, phát xạ và tán xạ.

CHÚ THÍCH: Nghiệm của phương trình sẽ phụ thuộc vào các đặc tính bức xạ của môi trường: hệ số tắt dần phổ, suất phản chiếu phổ, hàm số pha của phổ và trong các điều kiện biên về quang học và nhiệt học.

7.12  Phép xấp xỉ khuếch tán Rosseland (Rosseland, diffusion approximation)

Phép xấp xỉ của phương trình truyền bức xạ có xem xét tới chiều dày quang học của môi trường và không tính đến điều kiện biên.

7.13  Phép xấp xỉ hai thông lượng Schuster-Schwartzschild

(Schuster-Schwartzschild, two-flux approximation)

Phép xấp xỉ của phương trình truyền bức xạ với hình học phẳng một chiều (lớp phẳng bán trong suốt) dựa trên giả định rằng phần bức xạ phổ theo hướng dương có thể được tích hợp bởi ký hiệu , trong khi các phần theo hướng âm có thể được tích hợp bởi ký hiệu .

7.14  Độ bức xạ hoặc dẫn nhiệt bức xạ (radiative thermal conductivity or radiativity)

Đại lượng được xác định bởi mối liên hệ sau:

Với lớp phẳng có thể được thể hiện như sau:

Trong đó n là pháp tuyến của lớp phẳng.

CHÚ THÍCH: Các mối liên hệ trên là kết quả của phép xấp xỉ Rosseland (7.12) với ưu điểm là mối quan hệ đơn giản biến diễn mật độ bức xạ toàn phần của lưu lượng dòng nhiệt, tương tự định luật Fourier đối với truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt.

Trong trường hợp vật liệu cách nhiệt có thể có chiều dày đủ lớn để cho phép các đặc tính của lớp được biểu thị bởi tổng hai đại lượng độc lập, một đại lượng tương ứng với độ dẫn nhiệt qua nền rắn và hệ khí kín và một đại lượng là độ bức xạ. Đại lượng “Độ bức xạ”,λ_r, ngược với “độ dẫn nhiệt”. Khi xem xét truyền nhiệt bằng bức xạ trong vật liệu cách nhiệt, độ bức xạ được định nghĩa chính xác là độ dẫn nhiệt bức xạ, nhưng phải tuân theo quy trình thử nghiệm, đây là cách tốt nhất để biết sự gia tăng chiều các lớp vật liệu, sự gia tăng chiều dày lớp vật liệu chia cho sự gia tăng nhiệt trở của lớp tương ứng trong điều kiện đưa ra trong 7.15 đến 7.18 (xem Hình 4). Trong trường hợp này, 7.14 giống như 7.16.

λ_r

W/(m.K)

7.15  Hệ số truyền (transfer factor)

Đặc tính của vật liệu cách nhiệt có liên quan đến tính chất kết hợp dẫn nhiệt và truyền nhiệt bức xạ; nó phụ thuộc vào điều kiện thực nghiệm được biểu thị bởi công thức

CHÚ THÍCH:

Có thể bắt đầu từ việc đo q, d và ∆T trong tấm nóng được bảo vệ; đây là một tính chất vật liệu chỉ được thể hiện khi d >> d_∞ (xem Hình 4).

T

W/(m.K)

7.16  Độ bức xạ (radiativity)

Đặc tính của vật liệu cách nhiệt chỉ liên quan đến truyền nhiệt bằng bức xạ, được biểu thị bởi công thức

Trong đó:

R_r là nhiệt trở chỉ phụ thuộc vào truyền nhiệt bằng bức xạ và d_∞ chỉ ra trong Hình 4.

CHÚ THÍCH: Có thể bắt đầu từ việc đo q, d và ∆T dưới điều kiện môi trường chân không khi truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt trong nền chất rắn không đáng kể.

λ_r

W/(m.K)

7.17  Độ dẫn nhiệt của chất rắn và khí kết hợp (combined gaseous and solid conductivity)

Đặc tính của vật liệu cách nhiệt có liên quan đến truyền nhiệt chỉ bằng dẫn nhiệt; tương tự như λ_r, được biểu thị

R_cd là nhiệt trở phụ thuộc vào truyền nhiệt chỉ bởi dẫn nhiệt và d_∞ chỉ ra trong Hình 4.

CHÚ THÍCH: λ_cd được tính toán từ mô hình lý thuyết.

λ_cd

W/(m.K)

7.18  Độ truyền nhiệt (thermal transmissivity)

Đặc tính của vật liệu cách nhiệt liên quan đến kết hợp truyền nhiệt bức xạ và dẫn nhiệt, nó không phụ thuộc vào điều kiện thực nghiệm và được biểu thị bởi

R là nhiệt trở phụ thuộc vào truyền nhiệt bức xạ kết hợp với dẫn nhiệt (xem TCVN 9313:2012 (ISO 7345:1987), 2.7); d_∞ chỉ ra trong Hình 4.

CHÚ THÍCH:

Theo định nghĩa trước đó, độ truyền nhiệt có thể được biểu diễn bởi

λ_t = λ_cd + λ_r

Độ truyền nhiệt có thể đạt tới giới hạn bởi thông số truyền trong các lớp dày, mà truyền nhiệt bức xạ kết hợp với dẫn nhiệt được xem xét.

Các giá trị này thường được gọi là hệ số dẫn nhiệt “biểu kiến”, “tương đương”, hoặc “hiệu quả” (xem TCVN 9313:2012 (ISO 7345:1987), Phụ lục). Xem Hình 4.

λ_t

W/(m.K)

Bán cầu

Theo hướng

Bức xạ phổ bán cầu

Bức xạ phổ theo hướng

Φ_λ, M_λ, ε_λ, E_λ, J_λ

α_λ, ρ_λ, ,

β_λ, x_λ, σ_λ

β’_λ, x’_λ, σ’_λ

I_Ωλ, L_Ωλ, ε_Ωλ

α_Ωλ, ρ_Ωλ,

β_Ωλ, x_Ωλ, σ_Ωλ

β’_Ωλ, x’_Ωλ, σ’_Ωλ

Bức xạ toàn phần bán cầu

Bức xạ toàn phần theo hướng

Φ, M, ε, E, J

α, ρ, ,

β, x, σ

I_Ω, L_Ω, ε_Ω

α_Ω, ρ_Ω,

β_Ω, x_Ω, σ_Ω

β’_Ω, x’_Ω, σ’_Ω