En física , y en particular medida por radiometría , la energía radiante es la energía de la radiación electromagnética y gravitacional . [1] Como energía, su unidad SI es el joule (J). La cantidad de energía radiante se puede calcular integrando el flujo radiante (o potencia ) con respecto al tiempo . El símbolo Q ese utiliza a menudo en toda la literatura para denotar energía radiante ("e" para "energético", para evitar confusiones con cantidades fotométricas). En ramas de la física que no sean radiometría, la energía electromagnética se refiere a la utilización de E o W . El término se usa particularmente cuando una fuente emite radiación electromagnética al entorno circundante. Esta radiación puede ser visible o invisible para el ojo humano. [2] [3]
Uso e historial de terminología
El término "energía radiante" se utiliza con mayor frecuencia en los campos de la radiometría , la energía solar , la calefacción y la iluminación , pero a veces también se utiliza en otros campos (como las telecomunicaciones ). En aplicaciones modernas que implican la transmisión de energía de un lugar a otro, la "energía radiante" se utiliza a veces para referirse a las ondas electromagnéticas en sí mismas , en lugar de a su energía (una propiedad de las ondas). En el pasado, también se ha utilizado el término "energía electro-radiante". [4]
El término "energía radiante" también se aplica a la radiación gravitacional . [5] [6] Por ejemplo, las primeras ondas gravitacionales jamás observadas fueron producidas por una colisión de un agujero negro que emitió alrededor de 5.3 × 10 47 julios de energía de ondas gravitacionales. [7]
Análisis
Debido a que la radiación electromagnética (EM) puede conceptualizarse como una corriente de fotones , la energía radiante puede verse como energía de fotones , la energía transportada por estos fotones. Alternativamente, la radiación EM puede verse como una onda electromagnética, que transporta energía en sus campos eléctricos y magnéticos oscilantes. Estas dos visiones son completamente equivalentes y se reconcilian entre sí en la teoría cuántica de campos (ver dualidad onda-partícula ).
La radiación EM puede tener varias frecuencias . Las bandas de frecuencia presentes en una determinada señal EM pueden estar claramente definidas, como se ve en los espectros atómicos , o pueden ser amplias, como en la radiación de cuerpo negro . En la imagen de las partículas, la energía transportada por cada fotón es proporcional a su frecuencia. En la imagen de la onda, la energía de una onda monocromática es proporcional a su intensidad . Esto implica que si dos ondas EM tienen la misma intensidad, pero diferentes frecuencias, la de mayor frecuencia "contiene" menos fotones, ya que cada fotón es más energético.
Cuando las ondas EM son absorbidas por un objeto, la energía de las ondas se convierte en calor (o se convierte en electricidad en el caso de un material fotoeléctrico ). Este es un efecto muy familiar, ya que la luz solar calienta las superficies que irradia. A menudo, este fenómeno se asocia particularmente con la radiación infrarroja , pero cualquier tipo de radiación electromagnética calentará un objeto que la absorba. Las ondas electromagnéticas también pueden reflejarse o dispersarse , en cuyo caso su energía también se redirige o redistribuye.
Sistemas abiertos
La energía radiante es uno de los mecanismos por los cuales la energía puede entrar o salir de un sistema abierto . [8] [9] [10] Tal sistema puede ser creado por el hombre, como un colector de energía solar , o natural, como la atmósfera de la Tierra . En geofísica , la mayoría de los gases atmosféricos, incluidos los gases de efecto invernadero , permiten que la energía radiante de onda corta del Sol pase a la superficie de la Tierra, calentando el suelo y los océanos. La energía solar absorbida se vuelve a emitir en parte como radiación de longitud de onda más larga (principalmente radiación infrarroja), parte de la cual es absorbida por los gases de efecto invernadero atmosféricos. La energía radiante se produce en el sol como resultado de la fusión nuclear . [11]
Aplicaciones
La energía radiante se utiliza para la calefacción radiante . [12] Puede generarse eléctricamente mediante lámparas infrarrojas , o puede absorberse de la luz solar y usarse para calentar agua. La energía térmica se emite desde un elemento cálido (piso, pared, panel superior) y calienta a las personas y otros objetos en las habitaciones en lugar de calentar directamente el aire. Debido a esto, la temperatura del aire puede ser más baja que en un edificio con calefacción convencional, aunque la habitación parezca igualmente cómoda.
Se han ideado varias otras aplicaciones de la energía radiante. [13] Estos incluyen tratamiento e inspección, separación y clasificación, medio de control y medio de comunicación. Muchas de estas aplicaciones involucran una fuente de energía radiante y un detector que responde a esa radiación y proporciona una señal que representa alguna característica de la radiación. Los detectores de energía radiante producen respuestas a la energía radiante incidente ya sea como un aumento o disminución del potencial eléctrico o del flujo de corriente o algún otro cambio perceptible, como la exposición de una película fotográfica .
Unidades de radiometría SI
Cantidad | Unidad | Dimensión | Notas | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Nombre | Símbolo [nb 1] | Nombre | Símbolo | Símbolo | ||||
Energía radiante | Q e [nb 2] | joule | J | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Energía de radiación electromagnética. | |||
Densidad de energía radiante | w correo | julio por metro cúbico | J / m 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −2 | Energía radiante por unidad de volumen. | |||
Flujo radiante | Φ e [nb 2] | vatio | W = J / s | M ⋅ L 2 ⋅ T −3 | Energía radiante emitida, reflejada, transmitida o recibida, por unidad de tiempo. A esto a veces también se le llama "energía radiante". | |||
Flujo espectral | Φ e, ν [nb 3] | vatios por hercio | W / Hz | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Flujo radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅nm −1 . | |||
Φ e, λ [nb 4] | vatio por metro | W / m | M ⋅ L ⋅ T −3 | |||||
Intensidad radiante | Yo e, Ω [nb 5] | vatio por estereorradián | W / sr | M ⋅ L 2 ⋅ T −3 | Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido, por unidad de ángulo sólido. Esta es una cantidad direccional . | |||
Intensidad espectral | Yo e, Ω, ν [nb 3] | vatios por estereorradián por hertz | W⋅sr −1 ⋅Hz −1 | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Intensidad radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅sr −1 ⋅nm −1 . Esta es una cantidad direccional . | |||
Yo e, Ω, λ [nb 4] | vatio por estereorradián por metro | W⋅sr −1 ⋅m −1 | M ⋅ L ⋅ T −3 | |||||
Resplandor | L e, Ω [nb 5] | vatio por estereorradián por metro cuadrado | W⋅sr −1 ⋅m −2 | M ⋅ T −3 | Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido por una superficie , por unidad de ángulo sólido por unidad de área proyectada. Esta es una cantidad direccional . Esto a veces también se llama de forma confusa "intensidad". | |||
Radiación espectral | L e, Ω, ν [nb 3] | vatios por estereorradián por metro cuadrado por hertz | W⋅sr −1 ⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −2 | Radiación de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅sr −1 ⋅m −2 ⋅nm −1 . Esta es una cantidad direccional . A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral". | |||
L e, Ω, λ [nb 4] | vatio por estereorradián por metro cuadrado, por metro | W⋅sr −1 ⋅m −3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
Densidad de flujo de irradiancia | E e [nb 2] | vatio por metro cuadrado | W / m 2 | M ⋅ T −3 | Flujo radiante recibido por una superficie por unidad de área. Esto a veces también se llama de forma confusa "intensidad". | |||
Irradiancia espectral Densidad de flujo espectral | E e, ν [nb 3] | vatio por metro cuadrado por hertz | W⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −2 | Irradiancia de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral". Las unidades de densidad de flujo espectral no pertenecientes al SI incluyen jansky (1 Jy = 10 −26 W⋅m −2 ⋅Hz −1 ) y la unidad de flujo solar (1 sfu = 10 −22 W⋅m −2 ⋅Hz −1 = 10 4 Jy). | |||
E e, λ [nb 4] | vatio por metro cuadrado, por metro | W / m 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
Radiosidad | J e [nb 2] | vatio por metro cuadrado | W / m 2 | M ⋅ T −3 | Flujo radiante que sale (emitido, reflejado y transmitido por) una superficie por unidad de área. Esto a veces también se llama de forma confusa "intensidad". | |||
Radiosidad espectral | J e, ν [nb 3] | vatio por metro cuadrado por hertz | W⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −2 | Radiosidad de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅m −2 ⋅nm −1 . A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral". | |||
J e, λ [nb 4] | vatio por metro cuadrado, por metro | W / m 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
Exitance radiante | M e [nb 2] | vatio por metro cuadrado | W / m 2 | M ⋅ T −3 | Flujo radiante emitido por una superficie por unidad de área. Este es el componente emitido de la radiosidad. "Emitancia radiante" es un término antiguo para esta cantidad. Esto a veces también se llama de forma confusa "intensidad". | |||
Exitancia espectral | M e, ν [nb 3] | vatio por metro cuadrado por hertz | W⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −2 | Exitancia radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅m −2 ⋅nm −1 . "Emitancia espectral" es un término antiguo para esta cantidad. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral". | |||
M e, λ [nb 4] | vatio por metro cuadrado, por metro | W / m 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | |||||
Exposición radiante | H e | julio por metro cuadrado | J / m 2 | M ⋅ T −2 | Energía radiante recibida por una superficie por unidad de área, o equivalentemente irradiancia de una superficie integrada en el tiempo de irradiación. A esto a veces también se le llama "fluencia radiante". | |||
Exposición espectral | H e, ν [nb 3] | julio por metro cuadrado por hertz | J⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −1 | Exposición radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en J⋅m −2 ⋅nm −1 . Esto a veces también se denomina "fluencia espectral". | |||
Él , λ [nb 4] | julio por metro cuadrado, por metro | J / m 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −2 | |||||
Emisividad hemisférica | ε | N / A | 1 | Exitancia radiante de una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie. | ||||
Emisividad hemisférica espectral | ε ν o ε λ | N / A | 1 | Exitancia espectral de una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie. | ||||
Emisividad direccional | ε Ω | N / A | 1 | Radiancia emitida por una superficie , dividida por la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie. | ||||
Emisividad direccional espectral | ε Ω, ν o ε Ω, λ | N / A | 1 | Radiación espectral emitida por una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie. | ||||
Absortancia hemisférica | A | N / A | 1 | Flujo radiante absorbido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia ". | ||||
Absortancia hemisférica espectral | A ν o A λ | N / A | 1 | Flujo espectral absorbido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia espectral ". | ||||
Absortancia direccional | A Ω | N / A | 1 | Resplandor absorbido por una superficie , dividido por el resplandor que incide sobre esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia ". | ||||
Absortancia direccional espectral | A Ω, ν o A Ω, λ | N / A | 1 | Radiación espectral absorbida por una superficie , dividida por la radiación espectral incidente sobre esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia espectral ". | ||||
Reflectancia hemisférica | R | N / A | 1 | Flujo radiante reflejado por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||||
Reflectancia hemisférica espectral | R ν o R λ | N / A | 1 | Flujo espectral reflejado por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||||
Reflectancia direccional | R Ω | N / A | 1 | Radiación reflejada por una superficie , dividida por la que recibe esa superficie. | ||||
Reflectancia direccional espectral | R Ω, ν o R Ω, λ | N / A | 1 | Radiación espectral reflejada por una superficie , dividida por la recibida por esa superficie. | ||||
Transmitancia hemisférica | T | N / A | 1 | Flujo radiante transmitido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||||
Transmitancia hemisférica espectral | T ν o T λ | N / A | 1 | Flujo espectral transmitido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||||
Transmitancia direccional | T Ω | N / A | 1 | Radiancia transmitida por una superficie , dividida por la recibida por esa superficie. | ||||
Transmitancia direccional espectral | T Ω, ν o T Ω, λ | N / A | 1 | Radiación espectral transmitida por una superficie , dividida por la recibida por esa superficie. | ||||
Coeficiente de atenuación hemisférico | μ | metro recíproco | m −1 | L −1 | Flujo radiante absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido por el recibido por ese volumen. | |||
Coeficiente de atenuación hemisférica espectral | μ ν o μ λ | metro recíproco | m −1 | L −1 | Flujo radiante espectral absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido por el recibido por ese volumen. | |||
Coeficiente de atenuación direccional | μ Ω | metro recíproco | m −1 | L −1 | Resplandor absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido por el recibido por ese volumen. | |||
Coeficiente de atenuación direccional espectral | μ Ω, ν o μ Ω, λ | metro recíproco | m −1 | L −1 | Radiación espectral absorbida y dispersada por un volumen por unidad de longitud, dividida por la recibida por ese volumen. | |||
Ver también: SI · Radiometría · Fotometría |
- ^ Las organizaciones de normalización recomiendan que las cantidades radiométricasse denoten con el sufijo "e" (de "energético") para evitar confusiones concantidadesfotométricas o de fotones .
- ^ a b c d e Símbolos alternativos que se ven a veces: W o E para energía radiante, P o F para flujo radiante, I para irradiancia, W para salida radiante.
- ^ a b c d e f g Las cantidades espectrales dadas por unidad de frecuencia se indican con el sufijo " ν " (griego), que no debe confundirse con el sufijo "v" (para "visual") que indica una cantidad fotométrica.
- ^ a b c d e f g Las cantidades espectrales dadas por unidad de longitud de onda se indican con el sufijo " λ " (griego).
- ^ a b Las cantidades direccionales se indican con el sufijo " Ω " (griego).
Ver también
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notas y referencias
- ^ " Energía radiante ". Estándar federal 1037C
- ^ George Frederick Barker, Física: Curso avanzado , página 367
- ^ Hardis, Jonathan E., " Visibilidad de la energía radiante ". PDF .
- ^ Ejemplos: US 1005338"Aparato transmisor", EE . UU. 1018555"Señalización por energía electrorradiante" y US 1597901 "Aparatos de radio".
- ↑ Kennefick, Daniel (15 de abril de 2007). Viajando a la velocidad del pensamiento: Einstein y la búsqueda de ondas gravitacionales . Prensa de la Universidad de Princeton . ISBN 978-0-691-11727-0. Consultado el 9 de marzo de 2016 .
- ^ Sciama, Dennis (17 de febrero de 1972). "Cortando las pérdidas de la galaxia" . Nuevo científico : 373 . Consultado el 9 de marzo de 2016 .
- ^ Abbott, BP (11 de febrero de 2016). "Observación de ondas gravitacionales de una fusión de agujero negro binario" . Cartas de revisión física . 116 (6): 061102. doi : 10.1103 / PhysRevLett.116.061102 . PMID 26918975 .
- ^ Moran, MJ y Shapiro, HN, Fundamentos de la ingeniería termodinámica , Capítulo 4. "Conservación masiva para un sistema abierto", Quinta edición, John Wiley and Sons. ISBN 0-471-27471-2 .
- ^ Robert W. Christopherson, Elemental Geosystems , cuarta edición. Prentice Hall, 2003. Páginas 608. ISBN 0-13-101553-2
- ^ James Grier Miller y Jessie L. Miller, La tierra como sistema .
- ^ Transformación energética . assets.cambridge.org. (extracto)
- ^ US 1317883 "Método de generar energía radiante y proyectarla a través del aire libre para producir calor"
- ^ Clase 250, Energía radiante , USPTO. Marzo de 2006.
- Lang, Kenneth R. (1999). Fórmulas astrofísicas . Berlín: Springer. ISBN 978-3-540-29692-8.
- Mischler, Georg (2003). "Energía radiante" . Base de conocimientos sobre diseño de iluminación . Consultado el 29 de octubre de 2008 .
- Elion, Glenn R. (1979). Manual de electroóptica . Tecnología de Prensa CRC y Artes Industriales. ISBN 0-8247-6879-5.
Otras lecturas
- Caverly, Donald Philip, Primer of Electronics and Radiant Energy . Nueva York, McGraw-Hill, 1952.
- Whittaker, ET (abril de 1929). "¿Qué es energía?". La Gaceta Matemática . La Asociación Matemática. 14 (200): 401–406. doi : 10.2307 / 3606954 . JSTOR 3606954 .