O que é transferência de calor por radiação – Definição

A transferência de calor por radiação é mediada pela radiação eletromagnética, conhecida como radiação térmica, que surge devido à temperatura do corpo. Transferência de calor por radiação

Transferência de calor por radiação

O sol
O Sol gera sua energia por fusão nuclear de núcleos de hidrogênio em hélio. Em sua essência, o Sol funde 620 milhões de toneladas métricas de hidrogênio a cada segundo.
Fonte: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

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

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 tem 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 = 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.

Veja também: Catástrofe ultravioleta

Poder Emissivo do Corpo Negro

potência emissiva do corpo negro , b [W / m 2 ] , de um corpo negro para seus arredores é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta e pode ser expressa pela seguinte equação:

b = σT 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 e T é a temperatura absoluta da superfície em K.

O termo corpo negro foi introduzido pelo físico alemão Gustav Kirchhoff em 1860. A radiação do corpo negro também é chamada de radiação térmica , radiação de cavidade, radiação completa ou radiação de temperatura. Três leis a seguir estão associadas à radiação do corpo negro:

Todos os corpos acima da temperatura zero absoluta irradiam algum calor. O sol e a terra irradiam calor um em direção ao outro. Isso parece violar a Segunda Lei da Termodinâmica , que afirma que o calor não pode fluir espontaneamente do sistema frio para o sistema quente sem que o trabalho externo seja realizado no sistema. O paradoxo é resolvido pelo fato de que cada corpo deve estar na linha de visão direta do outro para receber radiação dele. Portanto, sempre que o corpo frio irradia calor para o corpo quente, ele também deve irradiar calor para o corpo frio. Além disso, o corpo quente irradia mais energia que o corpo frio. O caso de diferentes emissividades é resolvido pela Lei de Kirchhoff da radiação térmica, que afirma que o objeto com baixa emissividade também possui baixa absorção. Como resultado, o calor não pode fluir espontaneamente do sistema frio para o sistema quente e a segunda lei ainda é satisfeita.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.