Bài học

Hấp thụ và phản xạ bức xạ nhiệt

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích và dự đoán được bề mặt màu tối, sần sùi hấp thụ bức xạ nhiệt tốt hơn bề mặt màu sáng, nhẵn bóng, và tính được nhiệt lượng hấp thụ trong một bài toán kết hợp công thức $Q = m \cdot c \cdot \Delta t$ .

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã học bức xạ nhiệt truyền qua chân không bằng sóng điện từ, mọi vật đều bức xạ nhiệt. Bài này học yếu tố quyết định một vật HẤP THỤ được nhiều hay ít bức xạ nhiệt chiếu tới nó, đồng thời dùng lại công thức nhiệt lượng $Q = m \cdot c \cdot \Delta t$ (same-grade bridge, đã học ở bài Nhiệt dung riêng) để định lượng.

Khởi động

Vào một ngày hè nắng gắt, một chiếc ô tô sơn màu đen và một chiếc ô tô sơn màu trắng đỗ cạnh nhau ngoài trời, cùng đóng kín cửa. Sau một giờ, nội thất xe nào sẽ nóng hơn?

Kiến thức trọng tâm

Khi bức xạ nhiệt chiếu tới một bề mặt, bề mặt đó vừa HẤP THỤ một phần, vừa PHẢN XẠ một phần trở lại. Tỉ lệ giữa hai phần này phụ thuộc chủ yếu vào màu sắc và độ nhám của bề mặt.

Bề mặt màu tối (đen, xám đậm) và sần sùi hấp thụ phần lớn bức xạ nhiệt chiếu tới, chỉ phản xạ lại một phần rất nhỏ, nên nóng lên nhanh. Bề mặt màu sáng (trắng, bạc) và nhẵn bóng phản xạ phần lớn bức xạ nhiệt trở lại môi trường xung quanh, chỉ hấp thụ một phần nhỏ, nên nóng lên chậm hơn nhiều.

Nguyên lý này được ứng dụng ngược chiều nhau tuỳ mục đích: nóc nhà tôn ở vùng nắng nóng thường sơn màu sáng hoặc mạ kẽm sáng bóng để giảm hấp thụ nhiệt Mặt Trời, giữ nhà mát hơn; ngược lại, tấm hấp thụ nhiệt trong bình đun nước năng lượng Mặt Trời lại được sơn màu ĐEN để hấp thụ tối đa bức xạ, đun nóng nước hiệu quả nhất. Quần áo mùa hè nên chọn màu sáng để đỡ nóng, còn mùa đông có thể chọn màu tối hơn để tận dụng bức xạ Mặt Trời giữ ấm cơ thể.

Có thể ĐỊNH LƯỢNG hiệu ứng này bằng một thí nghiệm đơn giản: hai hộp kim loại giống hệt nhau, chứa cùng khối lượng nước, một hộp sơn đen, một hộp sơn trắng, phơi nắng cùng một khoảng thời gian rồi đo độ tăng nhiệt độ của nước trong mỗi hộp. Từ độ tăng nhiệt độ đo được, có thể tính ra nhiệt lượng mỗi hộp đã hấp thụ bằng chính công thức $Q = m \cdot c \cdot \Delta t$ đã học.

Khi bức xạ nhiệt chiếu tới một bề mặt, bề mặt đó vừa HẤP THỤ một phần, vừa PHẢN XẠ một phần trở lại. Tỉ lệ giữa hai phần này phụ thuộc chủ yếu vào màu sắc và độ nhám của bề mặt. Bề mặt **màu tối** (đen, xám đậm) và **sần sùi** hấp thụ phần lớn bức xạ nhiệt chiếu tới, chỉ phản xạ lại một phần rất nhỏ, nên nóng lên nhanh. Bề mặt **màu sáng** (trắng, bạc) và **nhẵn bóng** phản xạ phần lớn bức xạ nhiệt trở lại môi trường xung quanh, chỉ hấp thụ một phần nhỏ, nên nóng lên chậm hơn nhiều. Nguyên lý này được ứng dụng ngược chiều nhau tuỳ mục đích: nóc nhà tôn ở vùng nắng nóng thường sơn màu sáng hoặc mạ kẽm sáng bóng để giảm hấp thụ nhiệt Mặt Trời, giữ nhà mát hơn; ngược lại, tấm hấp thụ nhiệt trong bình đun nước năng lượng Mặt Trời lại được sơn màu ĐEN để hấp thụ tối đa bức xạ, đun nóng nước hiệu quả nhất. Quần áo mùa hè nên chọn màu sáng để đỡ nóng, còn mùa đông có thể chọn màu tối hơn để tận dụng bức xạ Mặt Trời giữ ấm cơ thể. Có thể ĐỊNH LƯỢNG hiệu ứng này bằng một thí nghiệm đơn giản: hai hộp kim loại giống hệt nhau, chứa cùng khối lượng nước, một hộp sơn đen, một hộp sơn trắng, phơi nắng cùng một khoảng thời gian rồi đo độ tăng nhiệt độ của nước trong mỗi hộp. Từ độ tăng nhiệt độ đo được, có thể tính ra nhiệt lượng mỗi hộp đã hấp thụ bằng chính công thức $Q = m \cdot c \cdot \Delta t$ đã học.

Số liệu minh hoạ từ thí nghiệm hai hộp nước giống hệt nhau, chỉ khác màu sơn, phơi nắng cùng lúc — hộp đen hấp thụ bức xạ nhiệt mạnh hơn nên nhiệt độ tăng nhiều hơn hẳn.

Ví dụ

Giải thích vì sao ô tô màu đen nóng nội thất hơn ô tô màu trắng

1
Giải thích vì sao chiếc ô tô sơn màu đen có nội thất nóng hơn hẳn chiếc ô tô sơn màu trắng sau cùng một giờ đỗ ngoài nắng.
2
Ta có lớp sơn màu đen hấp thụ phần lớn bức xạ nhiệt từ Mặt Trời chiếu tới, chỉ phản xạ lại rất ít; lớp sơn màu trắng phản xạ phần lớn bức xạ, chỉ hấp thụ một phần nhỏ.
3
Do đó vỏ xe đen hấp thụ nhiều năng lượng bức xạ hơn, nóng lên nhanh hơn, rồi truyền phần nhiệt đó vào không khí bên trong xe qua dẫn nhiệt và đối lưu.
4
Vậy sau cùng một thời gian phơi nắng, xe màu đen có nội thất nóng hơn xe màu trắng, đúng như trải nghiệm thực tế của nhiều người khi mở cửa xe đỗ ngoài nắng.

Ví dụ

Tính nhiệt lượng nước hấp thụ trong hộp đen và hộp trắng

1
Hai hộp kim loại giống hệt nhau, mỗi hộp chứa $m = 0{,}5$ kg nước, một hộp sơn đen, một hộp sơn trắng, phơi nắng 10 phút. Kết quả: hộp đen tăng thêm $12$ °C, hộp trắng tăng thêm $4$ °C. Tính nhiệt lượng nước trong mỗi hộp đã hấp thụ được, biết nhiệt dung riêng của nước $c = 4200$ J/kg.K.
Hai hộp kim loại giống hệt nhau, mỗi hộp chứa $m = 0{,}5$ kg nước, một hộp sơn đen, một hộp sơn trắng, phơi nắng 10 phút. Kết quả: hộp đen tăng thêm $12$ °C, hộp trắng tăng thêm $4$ °C. Tính nhiệt lượng nước trong mỗi hộp đã hấp thụ được, biết nhiệt dung riêng của nước $c = 4200$ J/kg.K.
2
Ta có, theo công thức đã học (same-grade bridge): $Q = m \cdot c \cdot \Delta t$ .
Ta có, theo công thức đã học (same-grade bridge): $Q = m \cdot c \cdot \Delta t$.
3
$Q_{đen} = 0{,}5 \times 4200 \times 12 = 25200$ J.
$Q_{đen} = 0{,}5 \times 4200 \times 12 = 25200$ J.
4
$Q_{trắng} = 0{,}5 \times 4200 \times 4 = 8400$ J.
$Q_{trắng} = 0{,}5 \times 4200 \times 4 = 8400$ J.
5
Vậy $Q_{đen} = 25200$ J lớn gấp 3 lần $Q_{trắng} = 8400$ J — con số này chứng minh trực tiếp bằng tính toán rằng bề mặt màu đen hấp thụ bức xạ nhiệt mạnh hơn hẳn bề mặt màu trắng trong cùng điều kiện phơi nắng.
Vậy $Q_{đen} = 25200$ J lớn gấp 3 lần $Q_{trắng} = 8400$ J — con số này chứng minh trực tiếp bằng tính toán rằng bề mặt màu đen hấp thụ bức xạ nhiệt mạnh hơn hẳn bề mặt màu trắng trong cùng điều kiện phơi nắng.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh chỉ nhớ "màu đen hấp thụ, màu trắng phản xạ" mà quên yếu tố ĐỘ NHÁM bề mặt cũng quan trọng không kém màu sắc; hoặc nhầm "phản xạ nhiều bức xạ" với "không nóng lên chút nào" — bề mặt sáng màu vẫn hấp thụ một phần và vẫn nóng lên, chỉ chậm hơn bề mặt tối màu.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Bề mặt tối màu, sần sùi hấp thụ bức xạ nhiệt tốt, nóng nhanh; bề mặt sáng màu, nhẵn bóng phản xạ tốt, nóng chậm. Có thể tính nhiệt lượng hấp thụ bằng $Q = m \cdot c \cdot \Delta t$ khi biết khối lượng, nhiệt dung riêng và độ tăng nhiệt độ.

Đã học đủ ba hình thức truyền nhiệt — dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ nhiệt. Chương tiếp theo đặt chúng cạnh nhau để so sánh trực tiếp, rồi tìm hiểu cách con người thiết kế vật liệu cách nhiệt tận dụng hiểu biết về cả ba hình thức cùng lúc.