O que é radiação térmica – Calor radiante – Definição

Radiação Térmica – Calor Radiante. A radiação térmica é radiação eletromagnética na região infravermelha do espectro eletromagnético, embora parte dela esteja na região visível. Engenharia Térmica

Radiação Térmica – Calor Radiante

Radiação térmicaA 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 .

 

Como foi escrito, a lei de Stefan-Boltzmann  fornece a intensidade radiante de um único objeto . Mas, usando a lei de Stefan-Boltzmann , também podemos determinar a transferência de calor por radiação entre dois objetos. Dois corpos que irradiam um para o outro têm um fluxo líquido de calor entre eles. A vazão líquida de calor entre eles é dada por:Q = εσA 1-2 (T 1 -T 2 ) [J / s]

q = εσ (T 1 − T 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 .

Radiação de corpo negroUm 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

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  . 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:

lei de plancks - equaçãoOnde

  • 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
  • B é a constante de Boltzmann
  • ν é a frequência da radiação eletromagnética
  • T é a temperatura absoluta do corpo

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 ).

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