transferencia de calor -trabajo radiacion

7/21/2019 Transferencia de Calor -Trabajo Radiacion

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Transferencia de calor: Radiación

La radiación térmica es energía emitida por la materia quese encuentra a una temperatura dada, se produce

directamente desde la fuente hacia afuera en todas lasdirecciones. Esta energía es producida por los cambios enlas conguraciones electrónicas de los átomos o moléculasconstitutivos y transportada por ondas electromagnéticas ofotones, por lo recibe el nombre de radiaciónelectromagnética. La masa en reposo de un fotón quesignica lu!" es idénticamente nula. #or lo tanto,atendiendo a relatividad especial, un fotón via$a a lavelocidad de la lu! y no se puede mantener en reposo. La

trayectoria descrita por un fotón se llama rayo". Laradiación electromagnética es una combinación de camposeléctricos y magnéticos oscilantes y perpendiculares entresí, que se propagan a través del espacio transportandoenergía de un lugar a otro.

% diferencia de la conducción y la convección, o de otrostipos de onda, como el sonido, que necesitan un mediomaterial para propagarse, la radiación electromagnética es

independiente de la materia para su propagación, de hecho,la transferencia de energía por radiación es más efectiva enel vacío. &in embargo, la velocidad, intensidad y direcciónde su 'u$o de energía se ven in'uidos por la presencia demateria. %sí, estas ondas pueden atravesar el espaciointerplanetario e interestelar y llegar a la (ierra desde el &oly las estrellas. La longitud de onda )" y la frecuencia *" delas ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la

e+presión )* c, son importantes para determinar suenergía, su visibilidad, su poder de penetración y otrascaracterísticas. -ndependientemente de su frecuencia ylongitud de onda, todas las ondas electromagnéticas sedespla!an en el vacío con una rapide! constante c //0/ 1m2s, llamada velocidad de la lu!.

Los fotones son emitidos o absorbidos por la materia. Lalongitud de onda de la radiación está relacionada con laenergía de los fotones, por una ecuación desarrollada por#lanc13



4onde h se llama constante de #lanc1,su valor es

Espectro de radiación:

%tendiendo a su longitud de onda, la radiaciónelectromagnética recibe diferentes nombres, y varía desdelos energéticos rayos gamma, con una longitud de ondamuy corta del orden de picómetros frecuencias muy altas"hasta las ondas de radio con longitudes de onda muy largasdel orden de 1ilómetros frecuencias muy ba$as", pasandopor la lu! visible, cuya longitud de onda está en el rango delas décimas de micrómetro. El rango completo delongitudes de onda es lo que se denomina el espectroelectromagnético, que se muestra en la gura 56.0. Estavariación es porque las fuentes que producen las ondas soncompletamente diferentes. El espectro electromagnético no

tiene denidos límites superior ni inferior.

La lu!, llamada también lu! visible o lu! blanca, es uno delos componentes del espectro electromagnético, y se denecomo aquella parte del espectro de radiación que puedepercibir la sensibilidad del o$o humano. La lu! visible es unmin7sculo intervalo que va desde la longitud de ondacorrespondiente al color violeta apro+imadamente 688 nm"hasta la longitud de onda correspondiente al color ro$o

apro+imadamente 088 nm".



La radiación del &ol es emitida en todas las longitudes deonda, pero tiene un má+imo en la región de lu! visible. Lalu! visible está compuesta por varios colores, que cuandose me!clan forman la lu! blanca. ?ada uno de los colorestiene una longitud de onda especíca, con límites entre 8.6y 8.0 :m. ?onsiderando desde las longitudes de onda máscortas a las más largas, los diferentes colores tienen los

valores centrales de longitudes de onda que se indican enla tabla 56.6. Estos colores están dentro de un rango delongitudes de onda, por e$emplo el violeta está en el rangoentre 8.6 y 8.6< :m. &on los colores que forman el arcoíris.En sus e+tremos se tienen el ultravioleta y el infrarro$o. Lamayor cantidad de energía radiante del &ol se concentra enel rango de longitudes de onda del visible y visible cercanodel espectro, con las siguientes proporciones3 lu! visible

6>@, infrarro$o cercano 6/@, ultravioleta 0@, y el 5@restante en otros rangos.



Radiación térmica:

La radiación térmica tiene básicamente tres propiedades3

•

Aadiación absorbida. La cantidad de radiación queincide en un cuerpo y queda retenida en él, comoenergía interna, se denomina radiación absorbida.%quellos cuerpos que absorben toda la energíaincidente de la radiación térmica, se denominancuerpos negros.

• Aadiación re'e$ada. Es la radiación re'e$ada por un

cuerpo gris.



• Aadiación transmitida. La fracción de la energía

radiante incidente que atraviesa un cuerpo se llamaradiación transmitida

La asociación mutua de los procesos de emisión, absorción,re'e+ión y transmisión de energía radiante por diferentessistemas de cuerpos se conoce como intercambio deenergía radiante.

El aire, por lo tanto, en los sistemas de transmisión decalor, es un elemento totalmente pasivo, que no e$erceninguna función fundamental en los resultados térmicos de

un local.

?alentar ob$etos, personas, paredes, suelos, etc. sincalentar el aire fundamentalmente es el proceso térmicoque genera una instalación radiante, obteniendo beneciossustanciales en cuanto a la me$ora de confort, modicaciónde la humedad ambiental y consumo.

Penetración de la radiación electromagnética:

?uando la frecuencia es inferior a la frecuencia de laradiación ultravioleta, los fotones no tienen sucienteenergía para romper enlaces atómicos. &e dice entoncesque la radiación es radiación no ioni!ante. % partir de losrayos ultravioleta, vienen los Aayos 9 y los Aayos gamma,muy energéticos y capaces de romper moléculas, dicharadiación se denomina radiación ioni!ante.

La radiación electromagnética reacciona de manera

desigual en función de su frecuencia y del material con elque entra en contacto. El nivel de penetración de laradiación electromagnética es inversamente proporcional asu frecuencia.

?uando la radiación electromagnética es de ba$afrecuencia, atraviesa limpiamente las barreras a su paso.?uando la radiación electromagnética es de alta frecuenciareacciona más con los materiales que tiene a su paso. En

función de la frecuencia, las ondas electromagnéticaspueden no atravesar medios conductores.



Esta es la ra!ón por la cual las transmisiones de radio nofuncionan ba$o el mar y los teléfonos móviles se queden sincobertura dentro de una ca$a de metal. &in embargo, comola energía ni se crea ni se destruye, sino que se transforma,

cuando una onda electromagnética choca con un conductorpueden suceder dos cosas. La primera es que setransformen en calor3 este efecto tiene aplicación en loshornos de microondas. La segunda es que se re'e$en en lasupercie del conductor como en un espe$o".

La radiación de partículas también puede ser ioni!ante sitiene suciente energía.

%lgunos e$emplos de radiación de partículas son los rayoscósmicos, los rayos alfa o los rayos beta. Los rayoscósmicos son chorros de n7cleos cargados positivamente,en su mayoría n7cleos de hidrógeno protones". Los rayos

cósmicos también pueden estar formados por electrones,rayos gamma, piones y muones. Los rayos alfa son chorrosde n7cleos de helio positivamente cargados, generalmenteprocedentes de materiales radiactivos. Los rayos beta soncorrientes de electrones, también procedentes de fuentesradiactivas. La radiación ioni!ante tiene propiedadespenetrantes, importantes en el estudio y utili!ación demateriales radiactivos. Los rayos alfa de origen natural sonfrenados por un par de ho$as de papel o unos guantes de

goma. Los rayos beta son detenidos por unos pocoscentímetros de madera.



Los rayos gamma y los rayos 9, seg7n sus energías, e+igenun blinda$e grueso de material pesado como hierro, plomo uhormigón, como se muestra en la gura 56.;. (ambiéne+iste la radiación mecánica, que corresponde a ondas que

sólo se transmiten a través de la materia, como las ondasde sonido.

Leyes de radiación:

1. Ley de Stefan:

(odos los ob$etos emiten energía radiante, cualquiera seasu temperatura, por e$emplo el &ol, la (ierra, la atmósfera,los #olos, las personas, etc. La energía radiada por el &ol a

diario afecta nuestra e+istencia en diferentes formas. Estain'uye en la temperatura promedio de la tierra, lascorrientes oceánicas, la agricultura, el comportamiento dela lluvia, etc.

?onsiderar la transferencia de radiación por una superciede área %, que se encuentra a una temperatura (. Laradiación que emite la supercie, se produce a partir de laenergía térmica de la materia limitada por la supercie. La

rapide! a la cual se libera energía se llama potencia deradiación B, su valor es proporcional a la cuarta potencia dela temperatura absoluta. Esto se conoce como la ley de&tefan Coseph &tefan, austriaco, 5;><D5;/>", que seescribe como3

4onde se llama constante de

&tefanDolt!mann LudFingolt!mann, austriaco, 5;66D5/8G" y H es una propiedadradiativa de la supercie llamada emisividad, sus valoresvarían en el rango 8 I H I 5, es una medida de la eficienciacon que la supercie emite energía radiante, depende delmaterial.

Jn cuerpo emite energía radiante con una rapide! dada porla ecuación, pero al mismo tiempo absorbe radiación= si

esto no ocurriera, el cuerpo en alg7n momento irradiaría



toda su energía y su temperatura llegaría al cero absoluto.La energía que un cuerpo absorbe proviene de susalrededores, los cuales también emiten energía radiante.

&i un cuerpo se encuentra a temperatura ( y el ambiente auna temperatura (o, la energía neta ganada o perdida porsegundo como resultado de la radiación es3

?uando el cuerpo está en equilibrio con los alrededores,irradia y absorbe la misma cantidad de energía, por lo tantosu temperatura permanece constante.?uando el cuerpoestá más caliente que el ambiente, irradia más energía dela que absorbe, y por lo tanto se enfría.

Jn absorbedor perfecto se llama cuerpo negro no signicaque sea de color negro", que se dene como un ob$eto idealque absorbe toda la radiación que llega a su supercie y suemisividad es igual a uno. Ko se conoce ning7n ob$eto así,aunque una supercie de negro de carbono puede llegar aabsorber apro+imadamente un /0@ de la radiaciónincidente. El &ol, la (ierra, la nieve, etc. ba$o ciertascondiciones se comportan como un cuerpo negro. En teoría,un cuerpo negro sería también un emisor perfecto deradiación, y emitiría a cualquier temperatura la má+imacantidad de energía disponible. % una temperatura dada,emitiría una cantidad denida de energía en cada longitudde onda. En contraste, un cuerpo cuya emisividad sea igual

a cero, no absorbe la energía incidente sobre él, sino que lare'e$a toda, es un re'ector perfecto.

Los cuerpos con emisividades entre 8 y 5 se llaman cuerposgrises, son los ob$etos reales. % raí! del fracaso de losintentos de calcular la radiación de un cuerpo negro idealseg7n la física clásica, se desarrollaron por primera ve! losconceptos básicos de la teoría cuántica. Jna buenaapro+imación de un cuerpo negro es el interior de un ob$eto

hueco, como se muestra en la gura 56./. La naturale!a dela radiación emitida por un cuerpo hueco a través de un



pequeo agu$ero sólo depende de la temperatura de lasparedes de la cavidad.

2. Ley de Wien:

La gura 56.58 muestra la curva típica de la intensidad deradiación de un cuerpo negro en función de la longitud deonda de la radiación emitida, para diferentes valores de

temperatura indicados como frío, templado y cálido. 4eacuerdo a la teoría cuántica, se encuentra que los cuerposa una temperatura determinada, emiten radiación con unvalor má+imo para una longitud de onda ) dada. %laumentar la temperatura de un cuerpo negro, la cantidadde energía que emite se incrementa. (ambién, al subir latemperatura, el má+imo de la distribución de energía sedespla!a hacia las longitudes de onda más cortas. &e

encontró que este corrimiento obedece a la siguienterelación, llamada ley del despla!amiento de Mien MilhelmMien, alemán, 5;G6D5/;"3

4onde )ma+ es la longitud de onda que corresponde almá+imo de la curva de radiación gura 56.58", en :m, y (es la temperatura absoluta del ob$eto que emite laradiación. La ley de Mien arma que para la radiación de uncuerpo negro la longitud de onda de má+ima emisión esinversamente proporcional a la temperatura absoluta. ?onesta ley se demuestra que la emisión de radiación de lasupercie terrestre tiene un má+imo en cerca de /./ :m,que corresponde a la región infrarro$a del espectro. (ambiénmuestra que la temperatura del &ol, si el má+imo deemisión de radiación solar ocurre en 8.606 :m, es del ordende G558 N.



3. Ley de Planck:

Los ob$etos con mayor temperatura radian más energíatotal por unidad de área que los ob$etos más fríos. #ore$emplo el &ol con unatemperatura media de G888 N en susupercie, emite veces más energía que la (ierra con una

temperatura media en supercie de ;/N5GO ?. #ordenición, un cuerpo negro es un absorbedor perfecto. Estetambién emite la má+ima cantidad de energía a unatemperatura dada. La cantidad de energía emitida por uncuerpo negro está 7nicamente determinada por sutemperatura y su valor lo da la Ley de #lanc1. En 5/88, Pa+#lanc1 alemán, 5;<;D5/60", descubrió una fórmula para laradiación de cuerpo negro en todas las longitudes de onda.La función empírica propuesta por #lanc1 arma que la

intensidad de radiación -),(", esto es, la energía por unidadde tiempo por unidad de área emitida en un intervalo delongitud de onda, por un cuerpo negro a la temperaturaabsoluta (, está dada por3

4onde - ),(" es la densidad de flu$o de energía por unidad

de longitud de onda, en M2m :m", h es la constante de#lanc1, y 1 es la constante de olt!mann, de valor El gráco



de la función - ),(" para diferentes valores de temperaturaabsoluta, se muestra en la gura 56.55.

!nción de radiación:

En términos de Q )(", se calcula la radiación emitida por uncuerpo negro a temperatura ( en longitudes de ondamenores a )3



REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:

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