Como Es La Transferencia De Calor Por Radiacion?

Radiación – Puede sentir la transferencia de calor del Sol. El espacio entre la Tierra y el Sol está en gran parte vacío, por lo que el Sol nos calienta sin posibilidad de transferencia de calor por convección ni conducción. Del mismo modo, a veces, se puede saber que el horno está caliente sin tocar la puerta ni mirar en su interior: puede que simplemente usted se caliente al pasar por el frente. Figura 1.28 La mayor parte de la transferencia de calor de este fuego a los observadores se produce a través de radiación infrarroja. La luz visible, aunque dramática, transfiere relativamente poca energía térmica. La convección transfiere la energía lejos de los observadores a medida que el aire caliente sube, mientras que la conducción es insignificante en este caso.

La piel es muy sensible a la radiación infrarroja, por lo que se puede percibir la presencia de un fuego sin mirarlo directamente (créditos: Daniel O’Neil).
La energía de la radiación electromagnética varía en un amplio rango, dependiendo de la longitud de onda: una longitud de onda más corta (o una mayor frecuencia) corresponde a una mayor energía.

Como se irradia más calor a mayor temperatura, las temperaturas más altas producen más intensidad en todas las longitudes de onda, pero especialmente en las más cortas. En la luz visible, la longitud de onda determina el color —el rojo tiene la longitud de onda más larga y el violeta la más corta—, por lo que un cambio de temperatura va acompañado de un cambio de color. Figura 1.29 a) Gráfico del espectro de las ondas electromagnéticas emitidas por un radiador ideal a tres temperaturas diferentes. La intensidad o tasa de emisión de la radiación aumenta drásticamente con la temperatura, y el espectro desciende en longitud de onda hacia las partes visibles y ultravioletas del espectro.

La parte sombreada indica la parte visible del espectro. Es evidente que el desplazamiento hacia el ultravioleta con la temperatura hace que el aspecto visible pase del rojo al blanco y al azul a medida que aumenta la temperatura. (b) Fíjese en las variaciones de color correspondientes a las variaciones de la temperatura de la llama.

La tasa de transferencia de calor por radiación también depende del color del objeto. El negro es el más eficaz, y el blanco es el menos eficaz. En un día claro de verano, el asfalto negro de un estacionamiento está más caliente que la acera gris adyacente, porque el negro absorbe mejor que el gris ( Figura 1.30 ).

Lo contrario también es cierto: el negro irradia mejor que el gris.
Así, en una noche clara de verano, el asfalto es más frío que la acera gris, porque el negro irradia la energía más rápidamente que el gris.
Un objeto perfectamente negro sería un radiador ideal y un absorbente ideal, ya que captaría toda la radiación que cae sobre él.

Por el contrario, un objeto perfectamente blanco o un espejo perfecto reflejaría toda la radiación, y un objeto perfectamente transparente la transmitiría toda ( Figura 1.31 ). Dichos objetos no emitirían ninguna radiación. Matemáticamente, el color está representado por la emisividad e, Figura 1.30 El pavimento más oscuro está más caliente que el más claro (se ha derretido mucha más cantidad de hielo a la derecha), aunque ambos han estado a la luz del sol durante el mismo tiempo. Las conductividades térmicas de los pavimentos son las mismas. Figura 1.31 Un objeto negro es buen absorbente y radiador, mientras que un objeto blanco, claro o plateado es mal absorbente y radiador. Para verlo, considere un objeto plateado y un objeto negro que pueden intercambiar calor por radiación y están en equilibrio térmico.

Sabemos por experiencia que se mantendrán en equilibrio (resultado de un principio que se analizará ampliamente en la sección Segunda ley de la termodinámica ).
Para que la temperatura del objeto negro se mantenga constante debe emitir tanta radiación como la energía que absorbe, por lo que debe ser tan bueno radiando como absorbiendo.

Consideraciones similares muestran que el objeto de plata debe irradiar tan poco como lo que absorbe. Así, una propiedad, emisividad, controla tanto radiación como absorción. Por último, el calor irradiado es proporcional a la superficie del objeto, ya que cada parte de la superficie irradia.

Si se desmenuzan las brasas de una hoguera, la radiación aumenta notablemente debido al incremento de la superficie radiante.
La tasa de transferencia de calor por radiación emitida se describe mediante la ley de Stefan-Boltzmann de radiación : P = σ A e T 4, P = σ A e T 4, donde σ = 5,67 × 10 −8 J/s · m 2 · K 4 σ = 5,67 × 10 −8 J/s · m 2 · K 4 es la constante de Stefan-Boltzmann, una combinación de constantes fundamentales de la naturaleza; A es la superficie del objeto; y T es su temperatura en kelvins.

La proporcionalidad a la cuarta potencia de la temperatura absoluta es una dependencia de la temperatura notablemente fuerte. Permite detectar incluso pequeñas variaciones de temperatura. Las imágenes denominadas termógrafos se pueden usar en la medicina para detectar regiones de temperatura anormalmente alta en el cuerpo, tal vez indicativas de enfermedad. Figura 1.32 Una termografía de parte de un edificio muestra las variaciones de temperatura, e indica dónde es más intensa la transferencia de calor al exterior. Las ventanas son una de las principales regiones de transferencia de calor al exterior de las viviendas (créditos: Ejército de los EE. UU.). La ecuación de Stefan-Boltzmann solo necesita un ligero refinamiento para tratar un caso sencillo de absorción de radiación de un objeto de su entorno. Suponiendo que un objeto con una temperatura T 1 T 1 está rodeado de un ambiente con temperatura uniforme T 2 T 2, la tasa neta de transferencia de calor por radiación es P neta = σ e A ( T 2 4 − T 1 4 ), P neta = σ e A ( T 2 4 − T 1 4 ), 1.10 donde e es la emisividad del objeto solo. En otras palabras, no importa si el entorno es blanco, gris o negro: el equilibrio de la radiación que entra y sale del objeto depende de su capacidad de emisión y absorción. Cuando T 2 > T 1, T 2 > T 1, la cantidad P neta P neta es positiva, es decir, la transferencia de calor neta es de caliente a frío. Antes de hacer un ejemplo, tenemos que discutir una complicación: diferentes emisividades a diferentes longitudes de onda. Si la fracción de radiación incidente que refleja un objeto es la misma en todas las longitudes de onda visibles, el objeto es gris; si la fracción depende de la longitud de onda, el objeto tiene algún otro color. Por ejemplo, un objeto rojo o rojizo refleja la luz roja con más intensidad que otras longitudes de onda visibles. Como absorbe menos rojo, irradia menos rojo cuando está caliente. La reflexión y absorción diferencial de longitudes de onda fuera del rango visible no tiene ningún efecto sobre lo que vemos, pero pueden tener efectos físicamente importantes. La piel es un buen absorbente y emisor de radiación infrarroja, con una emisividad de 0,97 en el espectro infrarrojo. Así, a pesar de las evidentes variaciones en el color de la piel, todos somos casi negros en el infrarrojo. Esta alta emisividad infrarroja es la razón por la que podemos sentir tan fácilmente la radiación en nuestra piel. También es la base de la eficacia de los visores nocturnos que utilizan las fuerzas del orden y los militares para detectar seres humanos.

¿Cómo es la transferencia de calor por radiación?

Radiación es el proceso por el cual el calor se transfiere en forma de ondas electromagnéticas. La fuente de energía radiante más obvia es el Sol. Ni el proceso de conducción ni el de convección toman lugar en la transferencia de energía térmica a través del espacio hacia la Tierra.

¿Qué tipo de proceso es la radiación?

La radiación es la emisión, propagación y transferencia de energía en cualquier medio en forma de ondas electromagnéticas o partículas. Los seres vivos conviven con las radiaciones desde sus orígenes. Sin la radiación del sol no habría existido vida en la tierra y sin la radiación infrarroja no podríamos calentarnos.

Además de estas fuentes naturales de radiación, el ser humano ha sido capaz de desarrollar distintos aparatos que se basan en o utilizan las radiaciones.
Utilizamos la radiación cuando escuchamos la radio, hablamos con el móvil, calentamos el desayuno en el microondas, tostamos el pan o nos hacen una radiografía.

Cuanto mayor es la frecuencia de la radiación electromagnética, mayor será su energía. Las ondas o radiaciones electromagnéticas se pueden clasificar en función de su energía en radiaciones ionizantes, tienen energía suficiente como para producir la ionización de los átomos de la materia que atraviesan (ej, rayos X) o radiaciones no ionizantes, no tienen suficiente energía para romper los enlaces de los átomos y producir la ionización (ej, microondas).

¿Qué tipo de calor emite los rayos?

Cálculos aproximados – Está claro que un rayo es muy potente: no hay más que fijarse en un árbol partido por la mitad para constatarlo. Los rayos generan temperaturas más altas que la de la superficie solar, por encima de 20.000 grados Celsius, temperatura que, por lo demás, es impensable para los seres humanos.

Esta medición de la temperatura ofrece un modo de calcular la energía de un rayo,
Se requiere una determinada cantidad de energía para calentar el aire hasta una temperatura elevada.

Si se mide la longitud de un rayo y esta se multiplica por la energía por metro necesaria para calentar el aire hasta decenas de miles de grados, se puede calcular la energía del rayo.

También podemos abordar la medición de la energía de un rayo teniendo en cuenta el voltaje de una descarga. Un voltio es una medida de la cantidad de energía liberada cuando cada paquete de electrones pasa de un lado de un objeto a otro (por ejemplo, en una pila).

Cuando cae un rayo, podemos averiguar el voltaje que genera en las líneas eléctricas cercanas, que oscila entre cientos de miles y millones de voltios.

A partir de la Ley de Ohm, se puede calcular la potencia del rayo multiplicando el voltaje por el número de electrones que se mueven durante la descarga, lo que se conoce como corriente.

Si conocemos la duración de esta descarga, podemos calcular la energía a continuación. Un voltio es una medida de la cantidad de energía liberada cuando cada paquete de electrones pasa de un lado de un objeto a otro Estos métodos conllevan una gran variedad de errores: calcular mal la longitud del rayo, equivocarse en la cantidad de gas calentado por metro, o en la temperatura, el voltaje o el número de electrones (todos ellos, errores bastante grandes en el contexto de este cálculo).

¿Cómo se transmite convección?

La transferencia de calor por convección, a menudo denominada simplemente convección, es la transferencia de calor de un lugar a otro por el movimiento de fluidos. La convección suele ser la forma dominante de transferencia de calor en líquidos y gases.

¿Dónde se encuentra la radiación?

Las radiaciones ionizantes de origen natural están presentes en la naturaleza que nos rodea. Además de la radiación cósmica, se producen radiaciones ionizantes como consecuencia de la presencia de materiales radiactivos existentes en la corteza terrestre.

Tres cuartas partes de la radiactividad que hay en el medio ambiente proceden de los elementos naturales.
No todos los lugares de la tierra tienen el mismo nivel de radiactividad.
En algunas zonas de la India, por ejemplo, la radiactividad es 10 veces mayor que la media europea.

La razón está en las arenas de la India, que tienen torio, un elemento radiactivo natural.

Los Alpes y otras cordilleras también tienen un nivel de radiactividad relativamente elevado, debido a la composición de sus granitos. Además de esta variabilidad geográfica, determinadas actividades como, por ejemplo, la fabricación de cerámica, la producción de fertilizantes, o la extracción de gas y de petróleo, pueden aumentar las dosis debidas a estos radionúclidos de origen natural, no sólo para los trabajadores sino también para el resto de ciudadanos.

En nuestras casas también puede existir radiactividad, procedente principalmente del gas radón.

Este gas se produce como consecuencia de la desintegración del uranio que contienen las rocas.
La cantidad de gas radón que se acumula en una casa depende de su situación, de los materiales que se han utilizado en su construcción y de nuestra forma de vida.

El radón emana de las rocas y se concentra en los lugares cerrados, por lo que es muy recomendable que las viviendas y los lugares de trabajo estén bien ventilados. Por otro lado, la radiación cósmica se genera en las reacciones nucleares que ocurren en el interior del sol y en las demás estrellas.

La atmósfera filtra estos rayos y nos protege de sus efectos peligrosos, ya que fuera de la atmósfera, en el espacio, la radiactividad es mucho mayor. Cuando ascendemos a una montaña, esa protección disminuye y la radiación cósmica es más intensa. Lo mismo ocurre cuando viajamos en avión, que estamos más expuestos a las radiaciones.

También existen elementos radiactivos en múltiples alimentos y en el agua potable. Incluso nuestros cuerpos son una fuente de radiación, ya que almacenan pequeñas cantidades de potasio radiactivo, un producto necesario para el cuerpo humano. Las radiaciones también se pueden producir de forma artificial, En 1895, el físico Roëntgen, cuando experimentaba con rayos catódicos, descubrió el primer tipo de radiación artificial que ha utilizado el ser humano: los rayos X.

Se trata de ondas electromagnéticas originadas por el choque de electrones con un determinado material, en el interior de un tubo de vacío.
Una vez que empezaron a conocerse las propiedades y la potencialidad de la radiación se fueron desarrollando sus aplicaciones, así como las técnicas para obtener materiales radiactivos artificiales.

Los rayos X y gamma se utilizan en medicina para diagnosticar mediante imágenes múltiples problemas físicos. También se usan radiaciones en el tratamiento del cáncer y otras enfermedades. La industria también se beneficia de las aplicaciones de las radiaciones en técnicas de radiografía medición industrial, esterilización de alimentos, control de plagas, etc.

¿Qué tipo de calor emite los rayos?

Esta medición de la temperatura ofrece un modo de calcular la energía de un rayo,

Se requiere una determinada cantidad de energía para calentar el aire hasta una temperatura elevada.
Si se mide la longitud de un rayo y esta se multiplica por la energía por metro necesaria para calentar el aire hasta decenas de miles de grados, se puede calcular la energía del rayo.

Cuando cae un rayo, podemos averiguar el voltaje que genera en las líneas eléctricas cercanas, que oscila entre cientos de miles y millones de voltios. A partir de la Ley de Ohm, se puede calcular la potencia del rayo multiplicando el voltaje por el número de electrones que se mueven durante la descarga, lo que se conoce como corriente.