Bức xạ nhiệt: Truyền năng lượng và ảnh hưởng của bề mặt

Hai lon kim loại giống hệt nhau được đặt cách một máy sưởi hồng ngoại cùng một khoảng. Một lon được phủ bề mặt tối, mờ. Lon còn lại được đánh bóng cho đến khi trông như một chiếc gương nhỏ. Lon nào nóng lên nhanh hơn?

Bạn có thể dự đoán là lon tối màu, vì “vật màu đen hấp thụ nhiệt”. Dự đoán đó hữu ích, nhưng cách diễn đạt cần được chỉnh lại. Lon không hấp thụ nhiệt như thể nhiệt là một chất. Nó hấp thụ bức xạ điện từ, nhờ đó năng lượng được truyền vào lon. Bề mặt quyết định bao nhiêu phần bức xạ tới bị hấp thụ, phản xạ hoặc truyền qua.

Bây giờ, hãy tắt máy sưởi sau khi cả hai lon đã đạt cùng một nhiệt độ cao. Lon nào mất năng lượng nhanh hơn do bức xạ?

Câu trả lời có phần bất ngờ thường vẫn là bề mặt mờ, hấp thụ mạnh. Một bề mặt hấp thụ mạnh ở một bước sóng cụ thể cũng là một bề mặt phát xạ mạnh ở bước sóng đó. Chính tính chất bề mặt giúp năng lượng đi vào cũng có thể giúp năng lượng đi ra.

Ý tưởng đó là chìa khóa để hiểu bức xạ nhiệt.

01Bức xạ truyền năng lượng mà không mang vật chất qua khoảng trống

Giả sử bạn đứng gần một bếp nướng đang nóng mà không chạm vào nó. Bạn vẫn có thể cảm nhận năng lượng truyền đến da ngay cả khi không khí nóng không thổi về phía bạn.

Sự dẫn nhiệt không thể giải thích việc truyền năng lượng qua một khoảng không khí mà không có tiếp xúc. Đối lưu có thể góp phần nếu không khí ấm chuyển động về phía bạn, nhưng còn có một cơ chế khác: bức xạ nhiệt.

Bức xạ nhiệt là bức xạ điện từ được vật chất phát ra do nhiệt độ của nó. Giống như mọi bức xạ điện từ, nó có thể truyền qua chân không. Không cần có các hạt chuyển động từ vật nóng sang vật lạnh hơn.

Đó là lý do năng lượng có thể truyền từ Mặt Trời đến Trái Đất qua không gian gần như trống rỗng.

Mọi vật có nhiệt độ cao hơn độ không tuyệt đối đều phát ra bức xạ điện từ. Một chiếc bàn thông thường, bàn tay của bạn, một viên đá lạnh và Mặt Trời đều phát ra bức xạ nhiệt. Những điểm khác biệt quan trọng là chúng phát ra bao nhiêu và phần lớn bức xạ đó nằm ở những bước sóng nào.

Ở nhiệt độ thường ngày, phần lớn bức xạ nhiệt là hồng ngoại nên mắt bạn không thể nhìn thấy. Khi một vật đủ nóng, một phần bức xạ phát ra của nó chuyển sang vùng ánh sáng nhìn thấy. Một bộ phận kim loại bắt đầu phát sáng đỏ mờ không phải là lúc nó đột nhiên bắt đầu bức xạ. Nó đã bức xạ từ trước khi bạn có thể nhìn thấy.

02Điều gì xảy ra khi bức xạ tới một bề mặt?

Hãy hình dung bức xạ tới giống như một nhóm người đến một bữa tiệc rất kén khách.

Một phần được hấp thụ và ở lại. Một phần bị phản xạ thẳng trở ra ngoài. Với một số vật liệu, một phần được truyền qua.

Phép so sánh này hữu ích vì năng lượng tới phải đi đâu đó. Tuy nhiên, nó có giới hạn vì các sóng điện từ thực tế không đưa ra một quyết định cố định ngay tại “cánh cửa”. Cách bề mặt tương tác phụ thuộc vào bước sóng, vật liệu, trạng thái bề mặt và đôi khi cả góc tới.

Ta mô tả ba khả năng này bằng các tỉ phần:

• hệ số hấp thụ, \(\alpha\): phần công suất bức xạ tới được hấp thụ
• hệ số phản xạ, \(\rho\): phần bị phản xạ
• hệ số truyền qua, \(\tau\): phần được truyền qua

Định luật bảo toàn năng lượng cho

\[ \alpha + \rho + \tau = 1 \]

Các đại lượng này không có đơn vị vì chúng là các tỉ phần.

Đối với một vật không trong suốt, về cơ bản không có bức xạ truyền xuyên qua nó, nên \(\tau \approx 0\). Mối quan hệ trở thành

\[ \alpha + \rho \approx 1 \]

Điều này tạo ra một sự đánh đổi quan trọng. Nếu một bề mặt không trong suốt phản xạ một phần lớn bức xạ tới, thì nó phải hấp thụ một phần nhỏ hơn.

Còn bề mặt bóng và bề mặt mờ thì sao?

Đối với nhiều bề mặt thường gặp trong các thí nghiệm về bức xạ nhiệt:

Bảng này là một mô hình HSC hữu ích, không phải một quy tắc phổ quát về màu sắc nhìn thấy được.

Một bề mặt có thể có hành vi khác nhau ở các bước sóng khác nhau. Một vật trông màu trắng vì phản xạ ánh sáng nhìn thấy vẫn có thể hấp thụ hoặc phát bức xạ hồng ngoại mạnh. Một vật trông màu đen đối với mắt bạn chủ yếu cho biết cách nó tương tác trong phần ánh sáng nhìn thấy của phổ điện từ.

Sự phụ thuộc vào bước sóng này trở nên quan trọng trong kỹ thuật nhiệt.

03Hấp thụ bức xạ làm tăng nội năng

Giả sử bức xạ điện từ mang theo 100 J truyền tới một bề mặt không trong suốt, và hệ số hấp thụ của bề mặt là \(0.70\).

Bề mặt hấp thụ

\[ E_{\text{absorbed}} = 0.70(100\text{ J}) = 70\text{ J} \]

Nếu sự truyền qua là không đáng kể, 30 J còn lại bị phản xạ.

70 J được hấp thụ sẽ làm gì?

Nó góp phần vào nội năng của vật. Điều này có thể làm tăng nhiệt độ của vật, gây ra sự chuyển thể, hoặc năng lượng có thể được truyền đi nơi khác bằng dẫn nhiệt, đối lưu hoặc bức xạ tiếp theo.

Hãy cẩn thận với cách dùng từ ở đây. Một vật chứa nội năng. Nhiệt mô tả năng lượng được truyền do có sự chênh lệch nhiệt độ.

04Sự phát xạ xảy ra đồng thời với sự hấp thụ

Một sai lầm thường gặp là cho rằng vật nóng phát bức xạ còn vật lạnh chỉ hấp thụ bức xạ.

Cả hai vật đều phát và hấp thụ.

Đặt một cốc nước nóng trong một căn phòng lạnh hơn. Cốc phát bức xạ nhiệt về phía căn phòng, nhưng các bức tường, chiếc bàn và mọi vật khác trong phòng cũng phát bức xạ về phía cốc.

Vậy tại sao cốc lại nguội đi?

Vì cốc nóng hơn. Nó phát năng lượng bức xạ với tốc độ lớn hơn tốc độ hấp thụ năng lượng từ môi trường xung quanh lạnh hơn. Có một sự truyền năng lượng ròng ra khỏi cốc.

Nếu ta chỉ xét bức xạ,

\[ P_{\text{net,in}} = P_{\text{abs}} - P_{\text{emit}} \]

trong đó \(P_{\text{abs}}\) là công suất bức xạ được hấp thụ và \(P_{\text{emit}}\) là công suất bức xạ được phát ra.

Nếu \(P_{\text{net,in}}>0\), vật thu được năng lượng do bức xạ.

Nếu \(P_{\text{net,in}}<0\), vật mất năng lượng do bức xạ.

Ở trạng thái cân bằng nhiệt, sự truyền năng lượng ròng bằng không. Điều đó không có nghĩa là bức xạ đã dừng lại. Năng lượng vẫn tiếp tục được trao đổi theo cả hai chiều với tốc độ bằng nhau.

05Vật hấp thụ tốt cũng là vật phát xạ tốt, với một điều kiện quan trọng

Hãy quay lại hai lon kim loại.

Tại sao bề mặt mờ vừa có thể nóng lên nhanh hơn khi nhận bức xạ, vừa có thể nguội nhanh hơn do bức xạ?

Đối với một bề mặt ở trạng thái cân bằng nhiệt, vật hấp thụ tốt ở một bước sóng cụ thể cũng là vật phát xạ tốt ở bước sóng đó. Mối quan hệ này gắn với định luật Kirchhoff về bức xạ nhiệt.

Điều kiện “ở bước sóng đó” rất quan trọng.

Giả sử một lớp phủ phản xạ phần lớn ánh sáng Mặt Trời nhìn thấy nhưng phát bức xạ hồng ngoại mạnh. Không có mâu thuẫn ở đây. Bức xạ Mặt Trời đi vào và bức xạ nhiệt đi ra từ vật nằm trong các khoảng bước sóng khác nhau.

Đó là lý do cách nhớ tắt

đen = hấp thụ, bóng = phản xạ

chỉ là một mô hình ban đầu.

Một câu hỏi tốt hơn là:

Ở các bước sóng liên quan, bề mặt này hấp thụ, phản xạ và phát xạ mạnh đến mức nào?

Cách đặt câu hỏi này vẫn phù hợp với những câu hỏi HSC khó hơn.

06Nhiệt độ cũng làm thay đổi bức xạ

Tính chất bề mặt chỉ là một phần của câu chuyện. Nhiệt độ có ảnh hưởng rất mạnh.

Khi nhiệt độ tuyệt đối của một vật tăng:

• tổng lượng bức xạ nhiệt mà nó phát ra tăng
• sự phân bố các bước sóng phát ra thay đổi
• bước sóng tại đó sự phát xạ mạnh nhất dịch chuyển về phía các bước sóng ngắn hơn

Bạn không cần ý tưởng này để giải thích vì sao bức xạ có thể truyền qua chân không, nhưng nó giải thích những quan sát như một kim loại đang được nung nóng chuyển từ phát bức xạ hồng ngoại không nhìn thấy sang phát ánh sáng đỏ nhìn thấy được.

Điều này cũng giúp tránh một ngộ nhận khác: một vật đen mờ không tự động phát tổng công suất bức xạ lớn hơn mọi vật bóng mà bạn có thể tìm thấy. Nhiệt độ rất quan trọng. Một tấm đen nguội có thể phát tổng công suất nhỏ hơn một vật được đánh bóng nhưng nóng hơn nhiều.

Khi so sánh các bề mặt, hãy giữ các biến quan trọng khác, đặc biệt là nhiệt độ và diện tích, không đổi.

07Diện tích bề mặt làm thay đổi tổng lượng truyền năng lượng

Hãy hình dung hai vật được làm từ cùng một vật liệu và được giữ ở cùng một nhiệt độ. Một vật có diện tích bề mặt lộ ra gấp đôi.

Mỗi phần nhỏ của bề mặt đều có thể phát bức xạ, vì vậy vật lớn hơn có thể phát tổng công suất bức xạ lớn hơn.

Đó là lý do một thí nghiệm công bằng khi so sánh các loại hoàn thiện bề mặt phải kiểm soát:

• nhiệt độ
• diện tích bề mặt lộ ra
• khoảng cách và hướng tương đối so với nguồn
• vật liệu nằm bên dưới lớp phủ khi có liên quan
• điều kiện môi trường xung quanh

Nếu nhiều biến thay đổi cùng lúc, bạn không thể tự tin xác định biến nào đã gây ra sự khác biệt quan sát được.

08Ngộ nhận cần tránh: “Vật màu đen hấp thụ nhiệt”

Câu này thường dẫn đến dự đoán đúng nhưng vì lý do sai.

Ba điều chỉnh sau giúp cách giải thích vật lý trở nên chính xác hơn nhiều.

Thứ nhất, vật hấp thụ bức xạ, qua đó năng lượng được truyền vào nội năng của nó.

Thứ hai, “đen” thường mô tả những gì mắt bạn nhìn thấy trong phổ ánh sáng khả kiến. Bức xạ nhiệt từ các vật thông thường chủ yếu là hồng ngoại.

Thứ ba, sự hấp thụ chỉ là một phía của quá trình trao đổi. Vật cũng đang phát bức xạ.

Vì vậy, nếu một vật chứa màu đen mờ và một vật chứa bằng kim loại được đánh bóng được đặt dưới cùng một nguồn hồng ngoại, bề mặt mờ có thể hấp thụ năng lượng nhanh hơn. Nếu sau đó cả hai được nung đến cùng một nhiệt độ và đặt trong môi trường lạnh hơn, chính bề mặt mờ đó cũng có thể mất năng lượng nhanh hơn do bức xạ.

Bề mặt không hề đổi chức năng. Sự hấp thụ và sự phát xạ là những tính chất có liên hệ với nhau.

09Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Một tàu vũ trụ đang di chuyển qua một vùng gần như không có khí quyển. Một linh kiện điện tử trở nên nóng. Hãy giải thích liệu nó có thể mất năng lượng nhiệt ra không gian hay không, mặc dù không có các hạt không khí xung quanh để mang năng lượng đi.

Lời giải 1

Có. Linh kiện có thể mất năng lượng bằng cách phát bức xạ điện từ.

Dẫn nhiệt và đối lưu cần vật chất, vì vậy cả hai đều không thể truyền năng lượng qua không gian trống ra khỏi tàu vũ trụ. Bức xạ nhiệt không cần môi trường vật chất.

Linh kiện nóng phát ra bức xạ điện từ, chủ yếu ở các bước sóng hồng ngoại đối với nhiệt độ kỹ thuật thông thường. Bức xạ mang năng lượng ra khỏi tàu vũ trụ.

Ngộ nhận dễ mắc phải là “không có hạt thì không có truyền nhiệt”. Phát biểu đúng phải hẹp hơn: không có hạt nghĩa là không có dẫn nhiệt hoặc đối lưu qua vùng đó. Bức xạ vẫn hoạt động.

Câu hỏi 2

Một bề mặt nhận \(72\text{ W}\) bức xạ hồng ngoại và có hệ số hấp thụ \(0.60\) tại các bước sóng đó.

Tính:

a. công suất bức xạ được hấp thụ

b. năng lượng bức xạ được hấp thụ trong \(20\text{ s}\)

Giả sử hệ số hấp thụ không đổi.

Lời giải 2

Bề mặt hấp thụ \(43.2\text{ W}\), tương ứng với \(864\text{ J}\) trong \(20\text{ s}\).

Công suất được hấp thụ là

\[ P_{\text{abs}} =\alpha P_{\text{inc}} =(0.60)(72\text{ W}) =43.2\text{ W} \]

Trong khoảng thời gian \(t=20\text{ s}\),

\[ E_{\text{abs}} =P_{\text{abs}}t =(43.2\text{ W})(20\text{ s}) =864\text{ J} \]

Vì vậy:

• a. \(P_{\text{abs}}=43.2\text{ W}\)
• b. \(E_{\text{abs}}=864\text{ J}\)

Đây là lượng năng lượng được hấp thụ từ bức xạ tới. Nó không tự động bằng độ tăng nội năng của vật, vì vật có thể đồng thời mất năng lượng do bức xạ, dẫn nhiệt hoặc đối lưu.

Câu hỏi 3

Hai vật chứa kim loại giống hệt nhau có nhiệt độ \(80^\circ\text{C}\) trong cùng một căn phòng ở \(20^\circ\text{C}\). Vật chứa A có bề mặt mờ với hệ số phát xạ hồng ngoại cao. Vật chứa B có bề mặt kim loại được đánh bóng với hệ số phát xạ hồng ngoại thấp.

Một học sinh nói: “Vật chứa A chỉ nguội nhanh hơn vì các bề mặt màu đen hấp thụ nhiều bức xạ hơn.”

Hãy đánh giá lời giải thích của học sinh, chỉ xét đến bức xạ.

Lời giải 3

Vật chứa A được dự đoán sẽ nguội nhanh hơn do bức xạ, nhưng lời giải thích của học sinh đã xét sai chiều truyền năng lượng.

Cả hai vật chứa đều phát bức xạ nhiệt và hấp thụ bức xạ từ căn phòng. Vì các vật chứa nóng hơn môi trường xung quanh, sự truyền năng lượng bức xạ ròng hướng ra ngoài.

Vật chứa A có hệ số phát xạ hồng ngoại cao hơn, nên ở cùng nhiệt độ và cùng diện tích bề mặt lộ ra, nó phát bức xạ nhiệt mạnh hơn. Vì vậy, nó được dự đoán sẽ có sự mất năng lượng bức xạ ròng lớn hơn.

Hệ số hấp thụ cao cũng có nghĩa là nó hấp thụ mạnh bức xạ hồng ngoại từ căn phòng, nhưng điều này không làm đảo ngược kết quả. Căn phòng lạnh hơn cung cấp ít năng lượng bức xạ hơn lượng mà vật chứa nóng phát ra.

Điểm dễ mắc sai lầm là chỉ tập trung vào sự hấp thụ vì màu sắc bề mặt thường được giới thiệu theo cách đó. Để giải thích sự nguội đi, bạn cần xét sự phát xạ và cân bằng năng lượng ròng.

Câu hỏi 4

Một vật đã đạt trạng thái cân bằng nhiệt với các bức tường của một căn phòng kín. Mọi thứ đều ở cùng một nhiệt độ.

Một học sinh lập luận rằng vật chắc hẳn đã ngừng phát bức xạ hồng ngoại, vì nếu không nó sẽ tiếp tục mất năng lượng.

Hãy giải thích điều gì thực sự đang xảy ra.

Lời giải 4

Vật vẫn đang phát bức xạ hồng ngoại, nhưng nó hấp thụ năng lượng bức xạ với cùng tốc độ trung bình, nên sự truyền năng lượng bức xạ ròng của nó bằng không.

Mọi vật có nhiệt độ cao hơn độ không tuyệt đối đều phát bức xạ nhiệt. Các bức tường của căn phòng cũng phát bức xạ về phía vật.

Ở trạng thái cân bằng nhiệt,

\[ P_{\text{abs}}=P_{\text{emit}} \]

nên

\[ P_{\text{net,in}} =P_{\text{abs}}-P_{\text{emit}} =0 \]

Do đó, xét trung bình, nội năng của vật không thay đổi do bức xạ.

Ngộ nhận xuất phát từ việc nhầm lẫn giữa sự truyền ròng bằng không với sự truyền bằng không theo từng chiều. Cân bằng nhiệt là một trạng thái động. Năng lượng vẫn đang được trao đổi.

Câu hỏi 5

Một kỹ sư đang lựa chọn một lớp phủ không trong suốt cho một thiết bị hoạt động trong chân không của không gian. Thiết bị nhận bức xạ chủ yếu ở các bước sóng Mặt Trời ngắn nhưng phát phần lớn bức xạ nhiệt của chính nó ở các bước sóng hồng ngoại dài hơn nhiều.

Các tính chất đo được là:

Mục tiêu là giảm sự nung nóng từ Mặt Trời đồng thời cho phép thiết bị mất năng lượng nhiệt một cách hiệu quả.

Dựa trên thông tin đã cho, lớp phủ nào phù hợp nhất? Hãy giải thích vì sao lựa chọn của bạn không vi phạm quy tắc rằng vật hấp thụ tốt cũng là vật phát xạ tốt.

Lời giải 5

Lớp phủ B là phù hợp nhất trong ba lựa chọn vì nó kết hợp mức hấp thụ tương đối thấp đối với bức xạ Mặt Trời đi vào với khả năng phát xạ rất mạnh trong vùng hồng ngoại nhiệt.

Lớp phủ A hấp thụ ít bức xạ Mặt Trời nhất, thoạt nhìn có vẻ lý tưởng. Tuy nhiên, hệ số phát xạ hồng ngoại của nó chỉ là \(0.20\), nên khi thiết bị nóng lên, nó kém hiệu quả trong việc bức xạ năng lượng nhiệt của chính mình ra ngoài.

Lớp phủ C là một bề mặt phát xạ hồng ngoại rất tốt, với hệ số phát xạ \(0.95\), nhưng nó cũng hấp thụ \(60\%\) bức xạ tới ở các bước sóng Mặt Trời đang được xét. Điều đó tạo ra một lượng năng lượng đi vào lớn hơn nhiều.

Lớp phủ B là sự dung hòa hữu ích. Nó chỉ hấp thụ \(30\%\) bức xạ Mặt Trời đi vào trong khi có hệ số phát xạ hồng ngoại \(0.90\), nên nó có thể thải năng lượng nhiệt rất hiệu quả.

Điều này không vi phạm mối quan hệ giữa hấp thụ và phát xạ vì mối quan hệ đó phải được so sánh tại cùng một bước sóng. Bảng cho hệ số hấp thụ ở các bước sóng Mặt Trời ngắn và hệ số phát xạ ở các bước sóng hồng ngoại nhiệt dài hơn nhiều. Vì vậy, một vật liệu có thể phản xạ một phần của phổ điện từ trong khi phát xạ mạnh ở một phần khác.

Giả định ẩn trong quy tắc đơn giản “vật hấp thụ tốt cũng là vật phát xạ tốt” là bạn đang nói về cùng một khoảng bước sóng.

10Bức xạ nhiệt dẫn đến đâu tiếp theo?

Khi bạn đã phân biệt rõ sự phát xạ, sự hấp thụ, sự phản xạ và sự truyền năng lượng ròng, bức xạ vật đen trở nên dễ hiểu hơn nhiều.

Vật đen là một vật hấp thụ và phát xạ lý tưởng. Phổ bức xạ mà nó phát ra phụ thuộc vào nhiệt độ, nhờ đó bức xạ nhiệt có thể cung cấp thông tin về những vật không thể chạm trực tiếp, bao gồm cả các ngôi sao. Chính ý tưởng giải thích vì sao một bề mặt mờ nguội đi hiệu quả cuối cùng cũng trở thành một phương pháp để ước tính nhiệt độ của các vật ở khoảng cách thiên văn.