Transferencia de calor por radiación
Fuente: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
En capítulos anteriores, hemos discutido la convección y la conducción , que requieren la presencia de materia como medio para transportar el calor desde la región más caliente a la más fría. Pero un tercer tipo de transferencia de calor, la transferencia de calor por radiación , ocurre sin ningún medio. En general, la transferencia de calor por radiación de una superficie a otra es la radiación que sale de la primera superficie por la otra menos la que llega desde la segunda superficie. La transferencia de calor por radiación está mediada por radiación electromagnética , conocida como radiación térmica , que surge debido a la temperatura de un cuerpo. Cualquier material que tenga una temperatura superiorEl cero absoluto emite algo de energía radiante . La mayor parte de la energía de este tipo se encuentra en la región infrarroja del espectro electromagnético, aunque parte de ella se encuentra en la región visible. Uno de los ejemplos más importantes de transferencia de calor por radiación es la absorción de radiación solar por la Tierra, seguida de su radiación térmica saliente. Estos procesos determinan la temperatura y el clima de la Tierra.
Radiación termal
La 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 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 .
Q = εσA 1-2 (T 4 1 −T 4 2 ) [J / s]
q = εσ (T 4 1 −T 4 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 .
Un 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
Poder emisivo de cuerpo negro
El poder emisor del cuerpo negro , E b [W / m 2 ] , de un cuerpo negro a su entorno es proporcional al cuarto poder de la temperatura absoluta y puede expresarse mediante la siguiente ecuación:
E b = σT 4
donde σ es una constante física fundamental llamada constante de Stefan-Boltzmann , que es igual a 5.6697 × 10 -8 W / m 2 K 4 y T es la temperatura absoluta de la superficie en K.
El término cuerpo negro fue introducido por un físico alemán Gustav Kirchhoff en 1860. La radiación de cuerpo negro también se llama radiación térmica , radiación de cavidad, radiación completa o radiación de temperatura. Tres leyes siguientes están asociadas con la radiación de cuerpo negro:
- La ley de Kirchhoff . Esta ley da la relación entre la emisividad y la capacidad de absorción de un objeto.
- La ley de Planck . Esta ley describe el espectro de radiación del cuerpo negro, que depende solo de la temperatura del objeto.
- Ley de desplazamiento de Viena . Esta ley determina la frecuencia más probable de la radiación emitida.
- Ley Stefan-Boltzmann . Esta ley da la intensidad radiante.
Todos los cuerpos por encima de la temperatura cero absoluta irradian algo de calor. El sol y la tierra irradian calor uno hacia el otro. Esto parece violar la Segunda Ley de la Termodinámica , que establece que el calor no puede fluir espontáneamente del sistema frío al sistema caliente sin realizar un trabajo externo en el sistema. La paradoja se resuelve por el hecho de que cada cuerpo debe estar en línea directa con el otro para recibir radiación de él. Por lo tanto, cada vez que el cuerpo frío irradia calor al cuerpo caliente, el cuerpo caliente también debe irradiar calor al cuerpo frío. Además, el cuerpo caliente irradiará más energía que el cuerpo frío. El caso de las diferentes emisividades se resuelve mediante la Ley de radiación térmica de Kirchhoff., que establece que los objetos con baja emisividad también tienen baja capacidad de absorción. Como resultado, el calor no puede fluir espontáneamente del sistema frío al sistema caliente y la segunda ley aún se cumple.
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