Não categorizado

Radiação de corpo negro

Sabe-se que a quantidade de energia de radiação emitida a partir de uma superfície em um determinado comprimento de onda depende do material do corpo e das condições de sua superfície , bem como da temperatura da superfície . Portanto, vários materiais emitem quantidades diferentes de energia radiante, mesmo quando estão na mesma temperatura. Um corpo que emite a quantidade máxima de calor para sua temperatura absoluta é chamado de corpo negro .

Um corpo negro é um corpo físico idealizado, com propriedades específicas. Por definição, um corpo negro em equilíbrio térmico tem uma emissividade de ε = 1,0 . Objetos reais não irradiam tanto calor quanto um corpo preto perfeito. Eles irradiam menos calor que um corpo preto e, portanto, são chamados corpos cinzentos.

A superfície de um corpo negro emite radiação térmica a uma taxa de aproximadamente 448 watts por metro quadrado em temperatura ambiente (25 ° C, 298,15 K). Objetos reais com emissividades inferiores a 1,0 (por exemplo, fio de cobre) emitem radiação a taxas correspondentemente mais baixas (por exemplo, 448 x 0,03 = 13,4 W / m ² ). A emissividade desempenha papel importante nos problemas de transferência de calor. Por exemplo, coletores solares de calor incorporam superfícies seletivas com emissividades muito baixas. Esses coletores desperdiçam muito pouco da energia solar através da emissão de radiação térmica.

Como a absorção e a emissividade estão interconectadas pela Lei de Kirchhoff da radiação térmica , um corpo negro também é um absorvedor perfeito da radiação eletromagnética.

Lei de Kirchhoff da radiação térmica :

Para um corpo arbitrário que emite e absorve radiação térmica em equilíbrio termodinâmico, a emissividade é igual à absorção.

emissividade ε = absortividade α

Um corpo negro absorve toda a radiação eletromagnética incidente, independentemente da frequência ou ângulo de incidência. Portanto, sua capacidade de absorção é igual à unidade, que também é o valor mais alto possível. Ou seja, um corpo negro é um absorvedor perfeito (e um emissor perfeito ).

Note que a radiação visível ocupa uma faixa muito estreita do espectro de 0,4 a 0,76 nm, não podemos fazer julgamentos sobre a escuridão de uma superfície com base em observações visuais. Por exemplo, considere o papel branco que reflete a luz visível e, portanto, parece branco. Por outro lado, é essencialmente preto para a radiação infravermelha (capacidade de absorção α = 0,94 ), pois eles absorvem fortemente a radiação de comprimento de onda longo.

Emissividade

A emissividade, ε , da superfície de um material é sua eficácia na emissão de energia como radiação térmica e varia entre 0,0 e 1,0.

Por definição, um corpo negro em equilíbrio térmico tem uma emissividade de ε = 1,0 . Objetos reais não irradiam tanto calor quanto um corpo preto perfeito. Eles irradiam menos calor que um corpo preto e, portanto, são chamados corpos cinzentos. Para levar em conta o fato de que objetos reais são corpos cinzentos, a lei de Stefan-Boltzmann deve incluir a emissividade . Quantitativamente, a emissividade é a razão entre a radiação térmica de uma superfície e a radiação de uma superfície preta ideal na mesma temperatura, conforme determinado pela lei de Stefan-Boltzmann. A emissividade é simplesmente um fator pelo qual multiplicamos a transferência de calor do corpo negro para levar em conta que o corpo negro é o caso ideal.

A superfície de um corpo negro emite radiação térmica a uma taxa de aproximadamente 448 watts por metro quadrado em temperatura ambiente (25 ° C, 298,15 K). Objetos reais com emissividades inferiores a 1,0 (por exemplo, fio de cobre) emitem radiação a taxas correspondentemente mais baixas (por exemplo, 448 x 0,03 = 13,4 W / m ² ). A emissividade desempenha papel importante nos problemas de transferência de calor. Por exemplo, coletores solares de calor incorporam superfícies seletivas com emissividades muito baixas. Esses coletores desperdiçam muito pouco da energia solar através da emissão de radiação térmica.

Outra propriedade importante de radiação de uma superfície é sua capacidade de  absorção ,  α , que é a fração da energia de radiação incidente em uma superfície que é absorvida pela superfície. Como a emissividade, o valor da absortividade está na faixa de 0 <α <1.

Em geral, a  absorção  e a  emissividade  são interconectadas pela  Lei de Kirchhoff da radiação térmica , que afirma:

Para um corpo arbitrário que emite e absorve radiação térmica em equilíbrio termodinâmico, a emissividade é igual à absorção.

emissividade ε = absortividade α

Note que a radiação visível ocupa uma faixa muito estreita do espectro de 0,4 a 0,76 nm, não podemos fazer julgamentos sobre a escuridão de uma superfície com base em observações visuais. Por exemplo, considere o papel branco que reflete a luz visível e, portanto, parece branco. Por outro lado, é essencialmente preto para a radiação infravermelha (capacidade de absorção α = 0,94 ), pois eles absorvem fortemente a radiação de comprimento de onda longo.

Absorção – Absorção

Outra propriedade importante de radiação de uma superfície é sua capacidade de absorção , α , que é a fração da energia de radiação incidente em uma superfície que é absorvida pela superfície. Como a emissividade, o valor da absortividade está na faixa de 0 <α <1.

A partir de sua definição, um corpo negro , que é um corpo físico idealizado, absorve toda a radiação eletromagnética incidente , independentemente da frequência ou ângulo de incidência. Ou seja, um corpo negro é um absorvedor perfeito. Como para objetos reais a capacidade de absorção é menor que a unidade, um objeto real não pode absorver toda a luz incidente. A absorção incompleta pode ser devida a parte da luz incidente ser transmitida através do corpo ou a parte refletida na superfície do corpo.

Em geral, a absorção e a emissividade são interconectadas pela Lei de Kirchhoff da radiação térmica , que afirma:

Para um corpo arbitrário que emite e absorve radiação térmica em equilíbrio termodinâmico, a emissividade é igual à absorção.

emissividade ε = absortividade α

Note que a radiação visível ocupa uma faixa muito estreita do espectro de 0,4 a 0,76 nm, não podemos fazer julgamentos sobre a escuridão de uma superfície com base em observações visuais. Por exemplo, considere o papel branco que reflete a luz visível e, portanto, parece branco. Por outro lado, é essencialmente preto para a radiação infravermelha (capacidade de absorção α = 0,94 ), pois eles absorvem fortemente a radiação de comprimento de onda longo.

Direito de Stefan – Boltzmann

A taxa de transferência de calor por radiação , q [W / m ² ], de um corpo (por exemplo, um corpo preto) para seus arredores é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta e pode ser expressa pela seguinte equação:

q = εσT ⁴

onde σ é uma constante física fundamental chamada constante de Stefan-Boltzmann , que é igual a 5.6697 × 10 ^-8 W / m ² K ⁴ . A constante Stefan-Boltzmann recebeu o nome de Josef Stefan (que descobriu a lei de Stefa-Boltzman experimentalmente em 1879) e Ludwig Boltzmann (que a derivou teoricamente logo depois). Como pode ser visto, a transferência de calor por radiação é importante em temperaturas muito altas e no vácuo .

q = εσ (T ⁴ _{1 −} T ⁴ ₂ ) [J / m ² s]

O fator de área A _1-2 é a área visualizada pelo corpo 2 do corpo 1 e pode se tornar bastante difícil de calcular.

Radiação de corpo negro

Sabe-se que a quantidade de energia de radiação emitida a partir de uma superfície em um determinado comprimento de onda depende do material do corpo e das condições de sua superfície , bem como da temperatura da superfície . Portanto, vários materiais emitem quantidades diferentes de energia radiante, mesmo quando estão na mesma temperatura. Um corpo que emite a quantidade máxima de calor para sua temperatura absoluta é chamado de corpo negro .

Um corpo negro é um corpo físico idealizado, com propriedades específicas. Por definição, um corpo negro em equilíbrio térmico tem uma emissividade de ε = 1,0 . Objetos reais não irradiam tanto calor quanto um corpo preto perfeito. Eles irradiam menos calor que um corpo preto e, portanto, são chamados corpos cinzentos.

A superfície de um corpo negro emite radiação térmica a uma taxa de aproximadamente 448 watts por metro quadrado em temperatura ambiente (25 ° C, 298,15 K). Objetos reais com emissividades inferiores a 1,0 (por exemplo, fio de cobre) emitem radiação a taxas correspondentemente mais baixas (por exemplo, 448 x 0,03 = 13,4 W / m ² ). A emissividade desempenha papel importante nos problemas de transferência de calor. Por exemplo, coletores solares de calor incorporam superfícies seletivas com emissividades muito baixas. Esses coletores desperdiçam muito pouco da energia solar através da emissão de radiação térmica.

Como a absorção e a emissividade estão interconectadas pela Lei de Kirchhoff da radiação térmica , um corpo negro também é um absorvedor perfeito da radiação eletromagnética.

Lei de Kirchhoff da radiação térmica :

Para um corpo arbitrário que emite e absorve radiação térmica em equilíbrio termodinâmico, a emissividade é igual à absorção.

emissividade ε = absortividade α

Um corpo negro absorve toda a radiação eletromagnética incidente, independentemente da frequência ou ângulo de incidência. Sua absorção é, portanto, igual à unidade, que também é o valor mais alto possível. Ou seja, um corpo negro é um absorvedor perfeito (e um emissor perfeito ).

Note que a radiação visível ocupa uma faixa muito estreita do espectro de 0,4 a 0,76 nm, não podemos fazer julgamentos sobre a escuridão de uma superfície com base em observações visuais. Por exemplo, considere o papel branco que reflete a luz visível e, portanto, parece branco. Por outro lado, é essencialmente preto para radiação infravermelha (capacidade de absorção α = 0,94 ), pois eles absorvem fortemente a radiação de comprimento de onda longo.

Condução – Convecção – Radiação

A transferência de calor é uma disciplina de engenharia que diz respeito à geração, uso, conversão e troca de calor (energia térmica) entre sistemas físicos. Na engenharia de energia, ele determina os principais parâmetros e materiais dos trocadores de calor. A transferência de calor é geralmente classificada em vários mecanismos, como:

• Condução de calor .  A condução de calor, também chamada difusão, ocorre dentro de um corpo ou entre dois corpos em contato. É a troca microscópica direta de energia cinética de partículas através da fronteira entre dois sistemas. Quando um objeto está a uma temperatura diferente de outro corpo ou de seus arredores
• Convecção por Calor .  A convecção de calor depende do movimento de massa de uma região do espaço para outra. A convecção de calor ocorre quando o fluxo a granel de um fluido (gás ou líquido) transporta calor junto com o fluxo de matéria no fluido.
• Radiação térmica .  A radiação é a transferência de calor por radiação eletromagnética, como a luz do sol, sem a necessidade de que a matéria esteja presente no espaço entre os corpos.

Radiação Térmica – Calor Radiante

A radiação térmica é radiação eletromagnética na região infravermelha do espectro eletromagnético, embora parte dela esteja na região visível. O termo radiação térmica é freqüentemente usado para distinguir essa forma de radiação eletromagnética de outras formas, como ondas de rádio, raios-x ou raios gama . É gerado pelo movimento térmico das partículas carregadas na matéria e, portanto, qualquer material que tenha uma temperatura acima do zero absoluto libera energia radiante . A radiação térmica não requer nenhum meio para transferência de energia. De fato, a transferência de energia pela radiação é mais rápida (na velocidade da luz) e não sofre atenuação no vácuo.

Ao contrário da transferência de calor por condução ou convecção , que ocorre na direção da diminuição da temperatura, a transferência de calor por radiação térmica pode ocorrer entre dois corpos separados por um meio mais frio que os dois corpos. Por exemplo, a radiação solar atinge a superfície da Terra depois de passar por camadas frias de atmosfera em grandes altitudes.

Direito de Stefan – Boltzmann

A taxa de transferência de calor por radiação , q [W / m ² ], de um corpo (por exemplo, um corpo preto) para seus arredores é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta e pode ser expressa pela seguinte equação:

q = εσT ⁴

onde σ é uma constante física fundamental chamada constante de Stefan-Boltzmann , que é igual a 5.6697 × 10 ^-8 W / m ² K ⁴ . A constante Stefan-Boltzmann recebeu o nome de Josef Stefan (que descobriu a lei de Stefan-Boltzman experimentalmente em 1879) e Ludwig Boltzmann (que a derivou teoricamente logo depois). Como pode ser visto, a transferência de calor por radiação é importante em temperaturas muito altas e no vácuo .

q = εσ (T ⁴ _{1 −} T ⁴ ₂ ) [J / m ² s]

O fator de área A _1-2 é a área visualizada pelo corpo 2 do corpo 1 e pode se tornar bastante difícil de calcular.

Radiação de corpo negro

Sabe-se que a quantidade de energia de radiação emitida a partir de uma superfície em um determinado comprimento de onda depende do material do corpo e das condições de sua superfície , bem como da temperatura da superfície . Portanto, vários materiais emitem quantidades diferentes de energia radiante, mesmo quando estão na mesma temperatura. Um corpo que emite a quantidade máxima de calor para sua temperatura absoluta é chamado de corpo negro .

Um corpo negro é um corpo físico idealizado, com propriedades específicas. Por definição, um corpo negro em equilíbrio térmico tem uma emissividade de ε = 1,0 . Objetos reais não irradiam tanto calor quanto um corpo preto perfeito. Eles irradiam menos calor que um corpo preto e, portanto, são chamados corpos cinzentos.

A superfície de um corpo negro emite radiação térmica a uma taxa de aproximadamente 448 watts por metro quadrado em temperatura ambiente (25 ° C, 298,15 K). Objetos reais com emissividades inferiores a 1,0 (por exemplo, fio de cobre) emitem radiação a taxas correspondentemente mais baixas (por exemplo, 448 x 0,03 = 13,4 W / m ² ). A emissividade desempenha papel importante nos problemas de transferência de calor. Por exemplo, coletores solares de calor incorporam superfícies seletivas com emissividades muito baixas. Esses coletores desperdiçam muito pouco da energia solar através da emissão de radiação térmica.

Como a absorção e a emissividade estão interconectadas pela Lei de Kirchhoff da radiação térmica , um corpo negro também é um absorvedor perfeito da radiação eletromagnética.

Lei de Kirchhoff da radiação térmica :

Para um corpo arbitrário que emite e absorve radiação térmica em equilíbrio termodinâmico, a emissividade é igual à absorção.

emissividade ε = absorção α

Um corpo negro absorve toda a radiação eletromagnética incidente, independentemente da frequência ou ângulo de incidência. Sua absorção é, portanto, igual à unidade, que também é o valor mais alto possível. Ou seja, um corpo negro é um absorvedor perfeito (e um emissor perfeito ).

Note que a radiação visível ocupa uma faixa muito estreita do espectro de 0,4 a 0,76 nm, não podemos fazer julgamentos sobre a escuridão de uma superfície com base em observações visuais. Por exemplo, considere o papel branco que reflete a luz visível e, portanto, parece branco. Por outro lado, é essencialmente preto para radiação infravermelha (capacidade de absorção α = 0,94 ), pois eles absorvem fortemente a radiação de comprimento de onda longo.

Veja também: Catástrofe ultravioleta

Espectro – Radiação Térmica

A lei de Stefan-Boltzmann determina a potência emissiva total do corpo negro, E _b , que é a soma da radiação emitida em todos os comprimentos de onda. A lei de Planck descreve o espectro da radiação do corpo negro , que depende apenas da temperatura do objeto e relaciona a potência emissiva do corpo negro espectral, E _bλ . Esta lei recebeu o nome de um físico teórico alemão Max Planck, que a propôs em 1900. A lei de Planck é um resultado pioneiro da física moderna e da teoria quântica. A hipótese de Planck de que a energia é irradiada e absorvida em “quanta” discretos (ou pacotes de energia) correspondia precisamente aos padrões observados de radiação do corpo negro e resolveu o problema.catástrofe ultravioleta .

Usando esta hipótese, Planck mostrou que a radiação espectral de um corpo para a frequência ν na temperatura absoluta T é dada por:

Onde

• B _ν (v, T) é a densidade daradiaçãoespectral (a potência por unidade de ângulo sólido e por unidade de área normal à propagação) da densidade ν radiação por unidade de frequência no equilíbrio térmico na temperatura T
• h é a constante de Planck
• c é a velocidade da luz no vácuo
• k _B é a constante de Boltzmann
• ν é a frequência da radiação eletromagnética
• T é a temperatura absoluta do corpo

A lei de Planck tem as seguintes características importantes:

• A radiação emitida varia continuamente com o comprimento de onda.
• Em qualquer comprimento de onda, a magnitude da radiação emitida aumenta com o aumento da temperatura.
• A região espectral na qual a radiação está concentrada depende da temperatura, com comparativamente mais radiação aparecendo em comprimentos de onda mais curtos à medida que a temperatura aumenta ( Lei de Deslocamento de Wien ).

Transferência de calor por radiação

Nos capítulos anteriores, discutimos convecção e condução , que exigem a presença de matéria como meio para transportar o calor da região mais quente para a mais fria. Mas um terceiro tipo de transferência de calor, a transferência de calor por radiação , ocorre sem nenhum meio. Em geral, a transferência de calor por radiação de uma superfície para outra é a radiação que sai da primeira superfície para a outra menos a que chega da segunda superfície. A transferência de calor por radiação é mediada pela radiação eletromagnética , conhecida como radiação térmica , que surge devido à temperatura do corpo. Qualquer material que tenha uma temperatura acimazero absoluto emite alguma energia radiante . A maior parte dessa energia está na região infravermelha do espectro eletromagnético, embora parte dela esteja na região visível. Um dos exemplos mais importantes de transferência de calor por radiação é a absorção de radiação solar da Terra, seguida por sua radiação térmica de saída. Esses processos determinam a temperatura e o clima da Terra.

Radiação térmica

A radiação térmica é radiação eletromagnética na região infravermelha do espectro eletromagnético, embora parte dela esteja na região visível. O termo radiação térmica é freqüentemente usado para distinguir essa forma de radiação eletromagnética de outras formas, como ondas de rádio, raios-x ou raios gama . É gerado pelo movimento térmico das partículas carregadas na matéria e, portanto, qualquer material que tenha uma temperatura acima do zero absoluto libera energia radiante . A radiação térmica não requer nenhum meio para transferência de energia. De fato, a transferência de energia pela radiação é mais rápida (na velocidade da luz) e não sofre atenuação no vácuo.

Ao contrário da transferência de calor por condução ou convecção , que ocorre na direção da diminuição da temperatura, a transferência de calor por radiação térmica pode ocorrer entre dois corpos separados por um meio mais frio que os dois corpos. Por exemplo, a radiação solar atinge a superfície da Terra depois de passar por camadas frias de atmosfera em grandes altitudes.

Condensação por contato direto

Da mesma forma que no capítulo anterior, neste capítulo, discutiremos a transferência de calor com a mudança de fase, mas, neste caso, discutiremos a condensação da fase gasosa (mudança de fase de vapor para líquido).

Em geral, a condensação é a mudança do estado físico da matéria da fase gasosa para a fase líquida e é o inverso da vaporização . Os processos de fluxo associados à condensação em uma superfície sólida são quase uma imagem espelhada dos envolvidos na fervura. A condensação ocorre quando a temperatura de um vapor é reduzida abaixo da temperatura de saturação ou quando a pressão de um vapor é aumentada acima dos parâmetros de saturação (consulte o diagrama de fases da água).

A condensação de contato direto , DCC, ocorre quando o vapor entra em contato com um líquido frio. Como nos condensadores de jato, a água de resfriamento é pulverizada no vapor de exaustão e há  contato direto  entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento. O processo de condensação é  muito rápido  e eficiente, mas aqui a água de resfriamento e o vapor condensado são  misturados . As vantagens da condensação de contato direto sobre os processos convencionais usando superfícies de transferência metálicas são devidas à relativa simplicidade do projeto, menos problemas de corrosão e descamação, custos de manutenção mais baixos, áreas de transferência específicas mais altas e taxas de transferência mais altas. Apesar dessas vantagens, os condensadores de jato não são comuns em usinas termelétricas, principalmente devido à perda de condensado .

Condensação no pressurizador

Um  pressurizador  é um componente de um  reator de água pressurizada . A pressão no circuito primário  das PWRs é mantida por um  pressurizador , um vaso separado que é conectado ao circuito primário (perna quente) e parcialmente preenchido com água que é aquecida até a  temperatura de saturação  (ponto de ebulição) para a pressão desejada por energia elétrica submersa.  aquecedores. A temperatura no pressurizador pode ser mantida a 350 ° C (662 ° F), o que fornece uma margem de sub-resfriamento (a diferença entre a temperatura do pressurizador e a temperatura mais alta no núcleo do reator) de 30 ° C. A margem de sub-resfriamento é um parâmetro de segurança muito importante dos PWRs, pois a ebulição no núcleo do reator deve ser excluída. O projeto básico do  reator de água pressurizada  inclui tal requisito que o líquido de refrigeração (água) no sistema de refrigeração do reator não deve ferver. Para conseguir isso, o líquido de refrigeração no sistema de refrigeração do reator é mantido a uma pressão suficientemente alta para que a ebulição não ocorra nas temperaturas do líquido de refrigeração experimentadas enquanto a planta está em operação ou em um transiente analisado.

Funções

A pressão  no pressurizador é controlada variando a temperatura do líquido de refrigeração no pressurizador. Para esses fins, dois sistemas estão instalados. Sistema de pulverização de água  e  sistema de aquecimento elétrico . O volume do pressurizador (dezenas de metros cúbicos) é preenchido com água nos parâmetros de saturação e vapor. O sistema de pulverização de água (água relativamente fria – da perna fria) pode diminuir a pressão no recipiente,  condensando o vapor  nas gotas de água pulverizadas no recipiente. Como o vapor entra em contato com um líquido frio, neste caso, estamos falando de condensação de contato direto . Por outro lado, os aquecedores elétricos submersos são projetados para aumentar a pressão por  evaporação da água no navio. A pressão da água em um sistema fechado rastreia a temperatura da água diretamente; conforme a temperatura aumenta, a pressão aumenta.

Condensação gota a gota

Da mesma forma que no capítulo anterior, neste capítulo, discutiremos a transferência de calor com a mudança de fase, mas, neste caso, discutiremos a condensação da fase gasosa (mudança de fase de vapor para líquido).

Em geral, a condensação é a mudança do estado físico da matéria da fase gasosa para a fase líquida e é o inverso da vaporização . Os processos de fluxo associados à condensação em uma superfície sólida são quase uma imagem espelhada dos envolvidos na fervura. A condensação ocorre quando a temperatura de um vapor é reduzida abaixo da temperatura de saturação ou quando a pressão de um vapor é aumentada acima dos parâmetros de saturação (consulte o diagrama de fases da água).

Na condensação gota a gota , o vapor condensado forma gotículas na superfície em vez de um filme contínuo. A condensação gota a gota pode ocorrer quando a superfície não está  molhando  ou essas gotículas são retiradas da superfície por fluxo externo ou por gravidade. O vapor está em contato direto com a superfície na maior parte da área e as taxas de transferência de calor são muito maiores (mais de 3 a 10 vezes mais), pois há muito pouca resistência ao fluxo de calor entre o vapor e a superfície. As gotículas se desenvolvem nos locais de nucleação (pontos de imperfeições da superfície, como cavidades, arranhões e cavidades) e crescem em tamanho à medida que mais vapor condensa na superfície exposta. Para  condensadores de vapor, é prática comum usar revestimentos de superfície (silicons, teflons ou ceras) que inibem a umectação e, portanto, estimulam a condensação gota a gota. Mas os revestimentos perdem gradualmente sua eficácia devido à remoção, oxidação, etc. Na prática, não é encontrada nenhuma superfície que continue sem molhar por um período de tempo. Como na maioria das aplicações de engenharia, muitas vezes é difícil manter essa condição, o uso do valor dos coeficientes de transferência de calor assumindo que a condensação gota a gota para fins de projeto não é aconselhável.