¿Qué es la radiación térmica? Calor radiante: definición

Radiación térmica – Calor radiante. La radiación térmica es radiación electromagnética en la región infrarroja del espectro electromagnético, aunque parte de ella se encuentra en la región visible. Ingenieria termal

Radiación Térmica – Calor Radiante

Radiación termalLa radiación térmica es radiación electromagnética en la región infrarroja del espectro electromagnético, aunque parte de ella se encuentra en la región visible. El término radiación térmica se usa con frecuencia para distinguir esta forma de radiación electromagnética de otras formas, como ondas de radio, rayos X o rayos gamma . Se genera por el movimiento térmico de partículas cargadas en la materia y, por lo tanto, cualquier material que tenga una temperatura superior al cero absoluto emite algo de energía radiante . La radiación térmica no requiere ningún medio para la transferencia de energía. De hecho, la transferencia de energía por radiación es más rápida (a la velocidad de la luz) y no sufre atenuación en el vacío.

A diferencia de la transferencia de calor por conducción o convección , que tiene lugar en la dirección de disminución de la temperatura, la transferencia de calor por radiación térmica puede ocurrir entre dos cuerpos separados por un medio más frío que ambos cuerpos. Por ejemplo, la radiación solar llega a la superficie de la tierra después de pasar a través de capas frías de la atmósfera a gran altura.

Ley Stefan-Boltzmann

La tasa de transferencia de calor por radiación , q [W / m 2 ], desde un cuerpo (por ejemplo, un cuerpo negro) a su entorno es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta y puede expresarse mediante la siguiente ecuación:

q = εσT 4

donde σ es una constante física fundamental llamada la constante de Stefan-Boltzmann , que es igual a 5.6697 × 10 -8 W / m 2 K 4 . La constante de Stefan-Boltzmann lleva el nombre de Josef Stefan (quien descubrió la ley de Stefan-Boltzman experimentalmente en 1879) y Ludwig Boltzmann (que la derivó teóricamente poco después). Como se puede ver, la transferencia de calor por radiación es importante a temperaturas muy altas y en el vacío .

Como se escribió, la ley de Stefan-Boltzmann  da la intensidad radiante de un solo objeto . Pero usando la ley de Stefan-Boltzmann , también podemos determinar la transferencia de calor por radiación entre dos objetos. Dos cuerpos que se irradian entre sí tienen un flujo de calor neto entre ellos. El flujo neto de calor entre ellos viene dado por:

Q = εσA 1-2 (T 1 −T 2 ) [J / s]

q = εσ (T 1 −T 2 ) [J / m 2 s]

El factor de área A 1-2 , es el área vista por el cuerpo 2 del cuerpo 1, y puede volverse bastante difícil de calcular.

Radiación de cuerpo negro

Se sabe que la cantidad de energía de radiación emitida desde una superficie a una longitud de onda dada depende del material del cuerpo y del estado de su superficie , así como de la temperatura de la superficie . Por lo tanto, varios materiales emiten diferentes cantidades de energía radiante incluso cuando están a la misma temperatura. Un cuerpo que emite la cantidad máxima de calor para su temperatura absoluta se llama cuerpo negro .

radiación de cuerpo negroUn cuerpo negro es un cuerpo físico idealizado, que tiene propiedades específicas. Por definición, un cuerpo negro en equilibrio térmico tiene una emisividad de ε = 1.0 . Los objetos reales no irradian tanto calor como un cuerpo negro perfecto. Irradian menos calor que un cuerpo negro y, por lo tanto, se llaman cuerpos grises.

La superficie de un cuerpo negro emite radiación térmica a una velocidad de aproximadamente 448 vatios por metro cuadrado a temperatura ambiente (25 ° C, 298,15 K). Los objetos reales con emisividades inferiores a 1.0 (p. Ej., Alambre de cobre) emiten radiación a velocidades proporcionalmente más bajas (p. Ej., 448 x 0.03 = 13.4 W / m 2 ). La emisividad juega un papel importante en los problemas de transferencia de calor. Por ejemplo, los colectores de calor solar incorporan superficies selectivas que tienen muy bajas emisividades. Estos colectores desperdician muy poca energía solar a través de la emisión de radiación térmica.

Dado que la absorción y la emisividad están interconectadas por la Ley de radiación térmica de Kirchhoff , un cuerpo negro también es un absorbente perfecto de radiación electromagnética.

Ley de Kirchhoff de radiación térmica :

Para un cuerpo arbitrario que emite y absorbe radiación térmica en equilibrio termodinámico, la emisividad es igual a la capacidad de absorción.

emisividad ε = absorbencia α

Un cuerpo negro absorbe toda la radiación electromagnética incidente, independientemente de la frecuencia o el ángulo de incidencia. Su capacidad de absorción es, por lo tanto, igual a la unidad, que también es el valor más alto posible. Es decir, un cuerpo negro es un absorbente perfecto (y un emisor perfecto ).

Tenga en cuenta que la radiación visible ocupa una banda muy estrecha del espectro de 0.4 a 0.76 nm, no podemos hacer ningún juicio sobre la negrura de una superficie sobre la base de observaciones visuales. Por ejemplo, considere el papel blanco que refleja la luz visible y, por lo tanto, parece blanco. Por otro lado, es esencialmente negro para la radiación infrarroja ( absorción α = 0.94 ) ya que absorben fuertemente la radiación de longitud de onda larga.

Ver también: catástrofe ultravioleta

Espectro – Radiación térmica

La ley de Stefan-Boltzmann determina el poder emisivo total del cuerpo negro, E b , que es la suma de la radiación emitida en todas las longitudes de onda. La ley de Planck describe el espectro de la radiación del cuerpo negro , que depende solo de la temperatura del objeto y relaciona el poder emisor espectral del cuerpo negro, E  . Esta ley lleva el nombre del físico teórico alemán Max Planck, quien la propuso en 1900. La ley de Planck es un resultado pionero de la física moderna y la teoría cuántica. La hipótesis de Planck de que la energía se irradia y se absorbe en “cuantos” discretos (o paquetes de energía) coincide exactamente con los patrones observados de la radiación del cuerpo negro y resuelve el problema.catástrofe ultravioleta .

Usando esta hipótesis, Planck demostró que la radiación espectral de un cuerpo para la frecuencia ν a temperatura absoluta T viene dada por:

ley de plancks - ecuacióndónde

  • ν (v, T) es la radiancia espectral (la potencia por unidad de ángulo sólido y por unidad de área normal a la propagación) densidad de frecuencia ν radiación por unidad de frecuencia en equilibrio térmico a temperatura T
  • h es la constante de Planck
  • c es la velocidad de la luz en el vacío
  • B es la constante de Boltzmann
  • ν es la frecuencia de la radiación electromagnética
  • T es la temperatura absoluta del cuerpo

La ley de Planck tiene las siguientes características importantes:

  • La radiación emitida varía continuamente con la longitud de onda.
  • A cualquier longitud de onda, la magnitud de la radiación emitida aumenta con el aumento de la temperatura.
  • La región espectral en la que se concentra la radiación depende de la temperatura, y comparativamente aparece más radiación a longitudes de onda más cortas a medida que aumenta la temperatura ( Ley de desplazamiento de Wien ).

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