Bài học

Bức xạ nhiệt là gì?

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được bức xạ nhiệt là truyền nhiệt bằng sóng, có thể truyền qua chân không, và phân biệt được bức xạ nhiệt với dẫn nhiệt, đối lưu.

Kiến thức nền cần nhớ

Hai chương trước đã học dẫn nhiệt (cần tiếp xúc trực tiếp, chủ yếu ở chất rắn) và đối lưu (cần khối chất lỏng/khí tự di chuyển). Bài này học hình thức truyền nhiệt thứ ba, khác biệt hoàn toàn hai hình thức trên: không cần bất kỳ chất nào làm môi trường.

Khởi động

Giữa Mặt Trời và Trái Đất là khoảng không vũ trụ gần như chân không tuyệt đối — không có không khí để dẫn nhiệt hay tạo dòng đối lưu, cũng không có vật rắn nào tiếp xúc trực tiếp. Vậy bằng cách nào ánh sáng Mặt Trời vẫn sưởi ấm được Trái Đất?

Kiến thức trọng tâm

Bức xạ nhiệt là hình thức truyền nhiệt bằng sóng điện từ (chủ yếu là tia hồng ngoại, cùng một phần ánh sáng nhìn thấy), phát ra từ mọi vật có nhiệt độ. Vì sóng điện từ không cần môi trường vật chất để lan truyền, bức xạ nhiệt có thể truyền được cả qua chân không — đây chính là điểm khác biệt căn bản so với dẫn nhiệt và đối lưu, cả hai đều bắt buộc phải có một chất làm môi trường.

Mọi vật đều bức xạ nhiệt liên tục ra xung quanh, và vật càng nóng thì bức xạ càng mạnh. Ánh sáng Mặt Trời truyền qua khoảng chân không hơn 150 triệu ki-lô-mét chỉ mất khoảng 8 phút để tới Trái Đất, mang theo năng lượng làm nóng bầu khí quyển và bề mặt hành tinh của chúng ta — dù không hề có không khí hay vật chất nào liên tục nối liền hai thiên thể.

Em có thể cảm nhận trực tiếp bức xạ nhiệt bằng một thí nghiệm đơn giản: đứng gần (nhưng không chạm) một bếp than đang cháy đỏ hoặc một bóng đèn sợi đốt đang sáng, da vẫn cảm thấy nóng ngay lập tức dù không khí xung quanh chưa kịp nóng lên đáng kể (loại trừ đối lưu) và da không hề chạm vào vật nóng (loại trừ dẫn nhiệt). Cảm giác nóng đó chính là do bức xạ nhiệt truyền thẳng từ vật nóng tới da.

**Bức xạ nhiệt** là hình thức truyền nhiệt bằng sóng điện từ (chủ yếu là tia hồng ngoại, cùng một phần ánh sáng nhìn thấy), phát ra từ mọi vật có nhiệt độ. Vì sóng điện từ không cần môi trường vật chất để lan truyền, bức xạ nhiệt có thể truyền được cả qua chân không — đây chính là điểm khác biệt căn bản so với dẫn nhiệt và đối lưu, cả hai đều bắt buộc phải có một chất làm môi trường. Mọi vật đều bức xạ nhiệt liên tục ra xung quanh, và vật càng nóng thì bức xạ càng mạnh. Ánh sáng Mặt Trời truyền qua khoảng chân không hơn 150 triệu ki-lô-mét chỉ mất khoảng 8 phút để tới Trái Đất, mang theo năng lượng làm nóng bầu khí quyển và bề mặt hành tinh của chúng ta — dù không hề có không khí hay vật chất nào liên tục nối liền hai thiên thể. Em có thể cảm nhận trực tiếp bức xạ nhiệt bằng một thí nghiệm đơn giản: đứng gần (nhưng không chạm) một bếp than đang cháy đỏ hoặc một bóng đèn sợi đốt đang sáng, da vẫn cảm thấy nóng ngay lập tức dù không khí xung quanh chưa kịp nóng lên đáng kể (loại trừ đối lưu) và da không hề chạm vào vật nóng (loại trừ dẫn nhiệt). Cảm giác nóng đó chính là do bức xạ nhiệt truyền thẳng từ vật nóng tới da.

Ví dụ

Giải thích vì sao đứng gần bếp than vẫn thấy nóng mặt

1
Một người đứng cách bếp than đang cháy khoảng 1 mét, không chạm vào than, và trời lặng gió. Người này vẫn cảm thấy mặt nóng lên rõ rệt. Hãy giải thích bằng bức xạ nhiệt.
2
Ta có người không chạm trực tiếp vào than nóng, nên không thể là dẫn nhiệt (dẫn nhiệt cần tiếp xúc trực tiếp).
3
Trời lặng gió, không có dòng không khí đáng kể mang nhiệt từ than tới mặt người, nên đối lưu không phải nguyên nhân chính.
4
Vậy nguyên nhân chính khiến người này thấy nóng là bức xạ nhiệt: than đỏ phát ra sóng điện từ mang năng lượng, truyền thẳng qua không khí (không cần tiếp xúc, không cần dòng khí) tới da mặt và làm da ấm lên.

Ví dụ

So sánh vật liệu ngăn bức xạ nhiệt

1
Một tấm kính chịu nhiệt được đặt chắn giữa người và bếp than đang cháy, người vẫn cảm thấy khá ấm. Nếu thay tấm kính đó bằng một tấm gỗ dày cùng kích thước, người sẽ cảm thấy ấm hơn hay ít ấm hơn? Giải thích.
2
Ta có kính trong suốt cho phần lớn bức xạ nhiệt (gồm ánh sáng nhìn thấy và một phần hồng ngoại) xuyên qua, nên phần lớn năng lượng bức xạ vẫn tới được người đứng sau tấm kính.
3
Do gỗ là vật liệu không trong suốt, nó hấp thụ hoặc cản phần lớn bức xạ nhiệt chiếu tới, chỉ một phần nhỏ năng lượng truyền tiếp qua gỗ bằng dẫn nhiệt (rất chậm vì gỗ dẫn nhiệt kém).
4
Vậy nếu thay tấm kính bằng tấm gỗ dày, người đứng sau sẽ cảm thấy ÍT ẤM hơn nhiều, vì gỗ chắn được phần lớn bức xạ nhiệt trong khi kính cho phần lớn bức xạ xuyên qua — đây cũng là lý do lò sưởi thường có cửa kính chịu nhiệt để vẫn toả ấm ra ngoài phòng.

Sai lầm thường gặp

Một số học sinh nghĩ chân không "không truyền được gì cả" nên phủ nhận khả năng Mặt Trời sưởi ấm Trái Đất qua khoảng chân không, hoặc nhầm bức xạ nhiệt hoàn toàn với ánh sáng nhìn thấy — thực ra bức xạ nhiệt còn gồm cả tia hồng ngoại mà mắt người không nhìn thấy được nhưng da vẫn cảm nhận được dưới dạng hơi ấm.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Bức xạ nhiệt truyền bằng sóng điện từ, không cần môi trường vật chất, truyền được qua chân không. Mọi vật có nhiệt độ đều bức xạ nhiệt; vật càng nóng bức xạ càng mạnh.

Bài tiếp theo tìm hiểu vì sao các bề mặt khác màu sắc, độ nhám lại hấp thụ và phản xạ bức xạ nhiệt khác nhau — kiến thức lý giải vì sao một chiếc ô tô màu tối lại nóng hơn ô tô màu sáng khi cùng đỗ ngoài nắng.