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La longitud de onda máxima y la cantidad total radiada varían con la temperatura de acuerdo con la ley de desplazamiento de Wien . Aunque esto muestra temperaturas relativamente altas, las mismas relaciones son válidas para cualquier temperatura hasta el cero absoluto.
La radiación térmica en luz visible se puede ver en esta estructura de metal caliente. Su emisión en infrarrojos es invisible para el ojo humano. Las cámaras de infrarrojos son capaces de capturar esta emisión de infrarrojos (ver Termografía ).

La radiación térmica es una radiación electromagnética generada por el movimiento térmico de las partículas en la materia . Toda materia con una temperatura superior al cero absoluto emite radiación térmica. El movimiento de las partículas da como resultado una aceleración de la carga o una oscilación dipolar que produce radiación electromagnética.

La radiación infrarroja emitida por animales (detectable con una cámara infrarroja ) y la radiación cósmica de fondo de microondas son ejemplos de radiación térmica.

Si un objeto de radiación cumple las características físicas de un cuerpo negro en equilibrio termodinámico , la radiación se denomina radiación de cuerpo negro . [1] La ley de Planck describe el espectro de radiación del cuerpo negro, que depende únicamente de la temperatura del objeto. La ley de desplazamiento de Wien determina la frecuencia más probable de la radiación emitida y la ley de Stefan-Boltzmann da la intensidad radiante. [2]

La radiación térmica también es uno de los mecanismos fundamentales de transferencia de calor .

Resumen [ editar ]

La radiación térmica es la emisión de ondas electromagnéticas de toda la materia que tiene una temperatura superior al cero absoluto . [3] La radiación térmica refleja la conversión de energía térmica en energía electromagnética . La energía térmica es la energía cinética de los movimientos aleatorios de átomos y moléculas en la materia. Toda la materia con una temperatura distinta de cero está compuesta por partículas con energía cinética. Estos átomos y moléculas están compuestos de partículas cargadas, es decir, protones y electrones . Las interacciones cinéticas entre las partículas de materia dan como resultado una aceleración de la carga yoscilación dipolo . Esto da como resultado la generación electrodinámica de campos eléctricos y magnéticos acoplados, lo que resulta en la emisión de fotones que irradian energía desde el cuerpo. La radiación electromagnética, incluida la luz visible, se propagará indefinidamente en el vacío .

Las características de la radiación térmica dependen de varias propiedades de la superficie de la que emana, incluida su temperatura, su emisividad espectral , tal como lo expresa la ley de Kirchhoff . [3] La radiación no es monocromática, es decir, no consta de una sola frecuencia, sino que comprende un espectro continuo de energías fotónicas, su espectro característico. Si el cuerpo radiante y su superficie están en equilibrio termodinámico y la superficie tiene una absortividad perfecta en todas las longitudes de onda, se caracteriza como un cuerpo negro . Un cuerpo negro también es un emisor perfecto. La radiación de estos emisores perfectos se llama radiación de cuerpo negro.. La relación entre la emisión de cualquier cuerpo y la de un cuerpo negro es la emisividad del cuerpo , de modo que un cuerpo negro tiene una emisividad de unidad (es decir, uno).

Respuesta espectral de dos pinturas y una superficie espejada, en el visible y en el infrarrojo. De la NASA.

La absortividad, la reflectividad y la emisividad de todos los cuerpos dependen de la longitud de onda de la radiación. Debido a la reciprocidad , la absortividad y la emisividad para cualquier longitud de onda particular son iguales: un buen absorbente es necesariamente un buen emisor y un mal absorbente es un mal emisor. La temperatura determina la distribución de la longitud de onda de la radiación electromagnética. Por ejemplo, la pintura blanca en el diagrama de la derecha es muy reflectante a la luz visible (reflectividad de aproximadamente 0,80), por lo que parece blanca para el ojo humano debido a la luz solar reflectante, que tiene una longitud de onda máxima de aproximadamente 0,5 micrómetros. Sin embargo, su emisividad a una temperatura de aproximadamente -5 ° C (23 ° F), longitud de onda máxima de aproximadamente 12 micrómetros, es de 0,95. Así, a la radiación térmica aparece negra.

La distribución de potencia que emite un cuerpo negro con frecuencia variable se describe en la ley de Planck . A cualquier temperatura dada, hay una frecuencia f max en la que la potencia emitida es máxima. La ley de desplazamiento de Wien, y el hecho de que la frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda, indica que la frecuencia pico f max es proporcional a la temperatura absoluta Tdel cuerpo negro. La fotosfera del sol, a una temperatura de aproximadamente 6000 K, emite radiación principalmente en la parte visible (humana) del espectro electromagnético. La atmósfera de la Tierra es parcialmente transparente a la luz visible y la luz que llega a la superficie es absorbida o reflejada. La superficie de la Tierra emite la radiación absorbida, aproximándose al comportamiento de un cuerpo negro a 300 K con un pico espectral en f máx . A estas frecuencias más bajas, la atmósfera es en gran parte opaca y la radiación de la superficie de la Tierra es absorbida o dispersada por la atmósfera. Aunque aproximadamente el 10% de esta radiación se escapa al espacio, la mayor parte es absorbida y luego reemitida por los gases atmosféricos. Es esta selectividad espectral de la atmósfera la responsable del efecto invernadero planetario., contribuyendo al calentamiento global y al cambio climático en general (pero también contribuyendo de manera crítica a la estabilidad climática cuando la composición y las propiedades de la atmósfera no cambian).

La bombilla incandescente tiene un espectro que se superpone a los espectros del cuerpo negro del sol y la tierra. Algunos de los fotones emitidos por un filamento de bombilla de tungsteno a 3000 K están en el espectro visible. La mayor parte de la energía está asociada con fotones de longitudes de onda más largas; estos no ayudan a la persona a ver, pero aun así transfieren calor al ambiente, como se puede deducir empíricamente al observar una bombilla incandescente. Siempre que se emite radiación EM y luego se absorbe, se transfiere calor. Este principio se utiliza en hornos microondas , corte por láser y depilación por radiofrecuencia .

A diferencia de las formas conductoras y convectivas de transferencia de calor, la radiación térmica se puede concentrar en un lugar diminuto mediante el uso de espejos reflectantes, que se aprovechan de la energía solar de concentración . En lugar de espejos, las lentes Fresnel también se pueden utilizar para concentrar la energía radiante. (En principio, se puede usar cualquier tipo de lente, pero solo el diseño de lente Fresnel es práctico para lentes muy grandes). Cualquiera de los métodos se puede usar para vaporizar rápidamente el agua en vapor utilizando la luz solar. Por ejemplo, la luz solar reflejada por los espejos calienta la planta de energía solar PS10 y durante el día puede calentar el agua a 285 ° C (558 K; 545 ° F).

Efectos de superficie [ editar ]

Los colores más claros y también los blancos y las sustancias metálicas absorben menos luz que ilumina y, como resultado, se calientan menos; pero, por lo demás, el color hace poca diferencia en lo que respecta a la transferencia de calor entre un objeto a temperaturas cotidianas y su entorno, ya que las longitudes de onda emitidas dominantes no están ni cerca del espectro visible, sino en el infrarrojo lejano. Las emisividades en esas longitudes de onda no están relacionadas en gran medida con las emisividades visuales (colores visibles); en el infrarrojo lejano, la mayoría de los objetos tienen emisividades elevadas. Por lo tanto, excepto a la luz del sol, el color de la ropa hace poca diferencia en lo que respecta al calor; del mismo modo, el color de la pintura de las casas influye poco en el calor, excepto cuando la parte pintada está iluminada por el sol.

La principal excepción a esto son las superficies metálicas brillantes, que tienen bajas emisividades tanto en las longitudes de onda visibles como en el infrarrojo lejano. Estas superficies se pueden utilizar para reducir la transferencia de calor en ambas direcciones; un ejemplo de esto es el aislamiento multicapa utilizado para aislar las naves espaciales.

Las ventanas de baja emisividad en las casas son una tecnología más complicada, ya que deben tener una baja emisividad en longitudes de onda térmicas mientras permanecen transparentes a la luz visible.

Las nanoestructuras con propiedades de emitancia térmica espectralmente selectivas ofrecen numerosas aplicaciones tecnológicas para la generación y eficiencia de energía, [4] por ejemplo, para enfriar células fotovoltaicas y edificios. Estas aplicaciones requieren una alta emitancia en el rango de frecuencia correspondiente a la ventana de transparencia atmosférica en un rango de longitud de onda de 8 a 13 micrones. Un emisor selectivo que irradia fuertemente en este rango queda así expuesto al cielo despejado, lo que permite el uso del espacio exterior como un disipador de calor de muy baja temperatura. [5]

La tecnología de refrigeración personalizada es otro ejemplo de una aplicación en la que la selectividad espectral óptica puede resultar beneficiosa. El enfriamiento personal convencional se logra típicamente a través de la conducción de calor y la convección. Sin embargo, el cuerpo humano es un emisor muy eficiente de radiación infrarroja, lo que proporciona un mecanismo de enfriamiento adicional. La mayoría de los tejidos convencionales son opacos a la radiación infrarroja y bloquean la emisión térmica del cuerpo al medio ambiente. Se han propuesto telas para aplicaciones de enfriamiento personalizadas que permiten que la transmisión infrarroja pase directamente a través de la ropa, mientras que son opacas en longitudes de onda visibles, lo que permite que el usuario permanezca más fresco.

Propiedades [ editar ]

Hay 4 propiedades principales que caracterizan la radiación térmica (en el límite del campo lejano):

  • La radiación térmica emitida por un cuerpo a cualquier temperatura consta de una amplia gama de frecuencias. La distribución de frecuencia viene dada por la ley de Planck de radiación de cuerpo negro para un emisor idealizado como se muestra en el diagrama de arriba.
  • El rango de frecuencia dominante (o color) de la radiación emitida cambia a frecuencias más altas a medida que aumenta la temperatura del emisor. Por ejemplo, un objeto al rojo vivo irradia principalmente en las longitudes de onda largas (rojo y naranja) de la banda visible. Si se calienta más, también comienza a emitir cantidades discernibles de luz verde y azul, y la propagación de frecuencias en todo el rango visible hace que parezca blanco para el ojo humano; está al rojo vivo . Incluso a una temperatura incandescente de 2000 K, el 99% de la energía de la radiación sigue estando en el infrarrojo. Esto está determinado por la ley de desplazamiento de Wien . En el diagrama, el valor máximo de cada curva se mueve hacia la izquierda a medida que aumenta la temperatura.
  • La cantidad total de radiación de todas las frecuencias aumenta abruptamente a medida que aumenta la temperatura; crece como T 4 , donde T es la temperatura absoluta del cuerpo. Un objeto a la temperatura de un horno de cocina, aproximadamente el doble de la temperatura ambiente en la escala de temperatura absoluta (600 K frente a 300 K) irradia 16 veces más energía por unidad de área. Un objeto a la temperatura del filamento en una bombilla incandescente —aproximadamente 3000 K, o 10 veces la temperatura ambiente— irradia 10,000 veces más energía por unidad de área. La intensidad radiativa total de un cuerpo negro aumenta como la cuarta potencia de la temperatura absoluta, expresada por la ley de Stefan-Boltzmann.. En la gráfica, el área debajo de cada curva crece rápidamente a medida que aumenta la temperatura.
  • La tasa de radiación electromagnética emitida a una frecuencia determinada es proporcional a la cantidad de absorción que experimentaría la fuente, una propiedad conocida como reciprocidad . Así, una superficie que absorbe más luz roja irradia térmicamente más luz roja. Este principio se aplica a todas las propiedades de la onda, incluida la longitud de onda (color), la dirección, la polarización e incluso la coherencia , de modo que es muy posible tener radiación térmica polarizada, coherente y direccional, aunque las formas polarizadas y coherentes son bastante raro en la naturaleza lejos de las fuentes (en términos de longitud de onda). Consulte la sección a continuación para obtener más información sobre esta calificación.

En cuanto a las estadísticas de fotones, la luz térmica obedece a las estadísticas superpoissonianas .

Campo cercano y campo lejano [ editar ]

Las propiedades generales de la radiación térmica descritas por la ley de Planck se aplican si la dimensión lineal de todas las partes consideradas, así como los radios de curvatura de todas las superficies son grandes en comparación con la longitud de onda del rayo considerado '(típicamente de 8-25 micrómetros para el emisor a 300 K). De hecho, la radiación térmica, como se discutió anteriormente, solo tiene en cuenta las ondas radiantes (campo lejano o radiación electromagnética ). Se debe utilizar un marco más sofisticado que involucre la teoría electromagnética para distancias más pequeñas desde la fuente térmica o la superficie ( radiación térmica de campo cercano ). Por ejemplo, aunque el campo lejanoLa radiación térmica a distancias de superficies de más de una longitud de onda generalmente no es coherente en ningún grado, la radiación térmica de campo cercano (es decir, la radiación a distancias de una fracción de varias longitudes de onda de radiación) puede exhibir un grado de coherencia temporal y espacial. [6]

La ley de radiación térmica de Planck ha sido desafiada en las últimas décadas por predicciones y demostraciones exitosas de la transferencia de calor radiativo entre objetos separados por espacios a nanoescala que se desvían significativamente de las predicciones de la ley. Esta desviación es especialmente fuerte (hasta varios órdenes de magnitud) cuando el emisor y el absorbedor soportan modos de polaritón de superficie que pueden acoplarse a través del espacio que separa los objetos fríos y calientes. Sin embargo, para aprovechar la transferencia de calor por radiación de campo cercano mediada por polaritones en la superficie, los dos objetos deben estar separados por espacios ultra estrechos del orden de micrones o incluso nanómetros. Esta limitación complica significativamente los diseños prácticos de dispositivos.

Otra forma de modificar el espectro de emisión térmica del objeto es reduciendo la dimensionalidad del propio emisor. [4] Este enfoque se basa en el concepto de confinar electrones en pozos cuánticos, cables y puntos, y adapta la emisión térmica mediante la ingeniería de estados de fotones confinados en trampas de potencial bidimensionales y tridimensionales, incluidos pozos, cables y puntos. Tal confinamiento espacial concentra los estados de los fotones y mejora la emisión térmica en determinadas frecuencias. [7]Para lograr el nivel requerido de confinamiento de fotones, las dimensiones de los objetos radiantes deben estar en el orden o por debajo de la longitud de onda térmica predicha por la ley de Planck. Lo más importante es que el espectro de emisión de los pozos térmicos, cables y puntos se desvía de las predicciones de la ley de Planck no solo en el campo cercano, sino también en el campo lejano, lo que amplía significativamente el rango de sus aplicaciones.

Color subjetivo para el ojo de un radiador térmico de cuerpo negro [ editar ]

Flujos de calor radiante seleccionados [ editar ]

El tiempo que transcurre hasta que se produce un daño por exposición al calor radiativo es función de la velocidad de entrega del calor. [9] Flujo de calor radiativo y efectos: [10] (1 W / cm 2 = 10 kW / m 2 )

Intercambio de energía [ editar ]

Panel de calor radiante para probar exposiciones de energía cuantificadas con precisión en el Consejo Nacional de Investigación , cerca de Ottawa , Ontario , Canadá

La radiación térmica es uno de los tres principales mecanismos de transferencia de calor . Implica la emisión de un espectro de radiación electromagnética debido a la temperatura de un objeto. Otros mecanismos son la convección y la conducción .

La transferencia de calor por radiación es característicamente diferente de las otras dos en que no requiere un medio y, de hecho, alcanza la máxima eficiencia en el vacío . La radiación electromagnética tiene algunas características adecuadas según la frecuencia y las longitudes de onda de la radiación. El fenómeno de la radiación aún no se comprende completamente. Se han utilizado dos teorías para explicar la radiación; sin embargo, ninguno de ellos es perfectamente satisfactorio.

Primero, la teoría anterior que se originó a partir del concepto de un medio hipotético denominado éter . Ether supuestamente llena todos los espacios evacuados o no evacuados. La transmisión de luz o de calor radiante está permitida por la propagación de ondas electromagnéticas en el éter. [11] Las ondas electromagnéticas tienen características similares a las ondas de radiodifusión de televisión y radio , solo difieren en la longitud de onda . [12] Todas las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad; por lo tanto, longitudes de onda más cortasestán asociados con altas frecuencias. Dado que cada cuerpo o fluido está sumergido en el éter, debido a la vibración de las moléculas, cualquier cuerpo o fluido puede potencialmente iniciar una onda electromagnética. Todos los cuerpos generan y reciben ondas electromagnéticas a expensas de su energía almacenada [12]

La segunda teoría de la radiación es mejor conocida como teoría cuántica y fue ofrecida por primera vez por Max Planck en 1900. [11] Según esta teoría, la energía emitida por un radiador no es continua, sino que tiene la forma de cuantos. Planck afirmó que las cantidades tenían diferentes tamaños y frecuencias de vibración de manera similar a la teoría de las ondas. [13]La energía E se encuentra mediante la expresión E = hν, donde h es la constante de Planck y ν es la frecuencia. Las frecuencias más altas se originan por las altas temperaturas y crean un aumento de energía en el cuanto. Si bien la propagación de ondas electromagnéticas de todas las longitudes de onda a menudo se denomina "radiación", la radiación térmica a menudo se limita a las regiones visible e infrarroja. Para fines de ingeniería, se puede afirmar que la radiación térmica es una forma de radiación electromagnética que varía según la naturaleza de una superficie y su temperatura. [11] Las ondas de radiación pueden viajar en patrones inusuales en comparación con el flujo de calor por conducción . La radiación permite que las ondas viajen desde un cuerpo calentado a través de un medio frío no absorbente o parcialmente absorbente y alcancen un cuerpo más caliente nuevamente.[11] Este es el caso de las ondas de radiación que viajan del sol a la tierra.

La interacción del intercambio de energía por radiación térmica se caracteriza por la siguiente ecuación:

Aquí, representa el componente de absorción espectral , el componente de reflexión espectral y el componente de transmisión espectral . Estos elementos son función de la longitud de onda ( ) de la radiación electromagnética. La absorción espectral es igual a la emisividad ; esta relación se conoce como ley de radiación térmica de Kirchhoff . Un objeto se llama cuerpo negro si, para todas las frecuencias, se aplica la siguiente fórmula:

La reflectividad se desvía de las otras propiedades en que es de naturaleza bidireccional. En otras palabras, esta propiedad depende de la dirección del incidente de radiación, así como de la dirección de la reflexión. Por lo tanto, los rayos reflejados de un espectro de radiación que inciden sobre una superficie real en una dirección específica forman una forma irregular que no es fácilmente predecible. En la práctica, se supone que las superficies se reflejan de una manera perfectamente especular o difusa. En una reflexión especular , los ángulos de reflexión e incidencia son iguales. En la reflexión difusa , la radiación se refleja igualmente en todas las direcciones. Se puede suponer que la reflexión de superficies lisas y pulidas es una reflexión especular, mientras que la reflexión de superficies rugosas se aproxima a la reflexión difusa.[14] En el análisis de radiación , una superficie se define como lisa si la altura de la rugosidad de la superficie es mucho menor en relación con la longitud de onda de la radiación incidente.

En una situación práctica y en un entorno de temperatura ambiente, los seres humanos pierden una energía considerable debido a la radiación térmica en el infrarrojo, además de la que se pierde por conducción al aire (ayudada por la convección concurrente u otro movimiento de aire como corrientes de aire). La energía térmica perdida se recupera parcialmente absorbiendo la radiación térmica de las paredes u otros alrededores. (El calor ganado por conducción se produciría con una temperatura del aire superior a la del cuerpo). De lo contrario, la temperatura del cuerpo se mantiene a partir del calor generado mediante el metabolismo interno. La piel humana tiene una emisividad muy cercana a 1.0. [15] Usando las fórmulas a continuación, se muestra a un ser humano, que tiene aproximadamente 2 metros cuadrados de superficie y una temperatura de aproximadamente 307  K, irradia continuamente aproximadamente 1000 vatios. Si las personas están en el interior, rodeadas de superficies a 296 K, reciben unos 900 vatios de la pared, el techo y otros alrededores, por lo que la pérdida neta es de solo unos 100 vatios. Estas estimaciones de transferencia de calor dependen en gran medida de variables extrínsecas, como el uso de ropa, es decir, la disminución de la conductividad total del circuito térmico, lo que reduce el flujo de calor de salida total. Solo los sistemas verdaderamente grises (emisividad / absortividad relativa equivalente y sin dependencia de transmisividad direccional en todoscuerpos de volumen de control considerados) pueden lograr estimaciones razonables de flujo de calor en estado estable a través de la ley de Stefan-Boltzmann. Encontrar esta situación "idealmente calculable" es casi imposible (aunque los procedimientos de ingeniería comunes renuncian a la dependencia de estas variables desconocidas y "asumen" que este es el caso). De manera optimista, estas aproximaciones "grises" se acercarán a las soluciones reales, ya que la mayor parte de la divergencia con las soluciones de Stefan-Boltzmann es muy pequeña (especialmente en la mayoría de los entornos controlados por laboratorios STP ).

Respuesta espectral de dos pinturas y una superficie espejada, en el visible y en el infrarrojo. De la NASA.

Si los objetos aparecen blancos (reflectantes en el espectro visual ), no necesariamente son igualmente reflectantes (y por lo tanto no emisores) en el infrarrojo térmico; consulte el diagrama de la izquierda. La mayoría de los radiadores domésticos están pintados de blanco, lo cual es sensato dado que no son lo suficientemente calientes como para irradiar una cantidad significativa de calor y no están diseñados como radiadores térmicos en absoluto; en cambio, en realidad son convectores , y pintarlos de negro mate haría poco diferencia a su eficacia. Las pinturas blancas acrílicas y a base de uretano tienen una eficiencia de radiación de cuerpo negro del 93% a temperatura ambiente [16](lo que significa que el término "cuerpo negro" no siempre corresponde al color visualmente percibido de un objeto). Estos materiales que no siguen la advertencia de "color negro = alta emisividad / absortividad" probablemente tendrán una dependencia funcional de la emisividad espectral / absortividad.

El cálculo de la transferencia de calor radiativo entre grupos de objetos, incluida una "cavidad" o "alrededores", requiere la solución de un conjunto de ecuaciones simultáneas utilizando el método de radiosidad . En estos cálculos, la configuración geométrica del problema se destila en un conjunto de números llamados factores de vista , que dan la proporción de radiación que sale de una superficie determinada que golpea otra superficie específica. Estos cálculos son importantes en los campos de la energía solar térmica , diseño de calderas y hornos y gráficos por computadora con trazado de rayos .

Una comparación de una imagen térmica (arriba) y una fotografía normal (abajo). La bolsa de plástico es en su mayoría transparente a infrarrojos de longitud de onda larga, pero las gafas del hombre son opacas.

Se puede utilizar una superficie selectiva cuando se extrae energía del sol. Las superficies selectivas también se pueden utilizar en colectores solares. Podemos averiguar cuánto ayuda un recubrimiento superficial selectivo al observar la temperatura de equilibrio de una placa que se está calentando a través de la radiación solar. Si la placa está recibiendo una irradiación solar de 1350 W / m 2 (el mínimo es 1325 W / m 2 el 4 de julio y el máximo es 1418 W / m 2el 3 de enero) del sol, la temperatura de la placa donde la radiación que sale es igual a la radiación que recibe la placa es 393 K (248 ° F). Si la placa tiene una superficie selectiva con una emisividad de 0,9 y una longitud de onda de corte de 2,0 μm, la temperatura de equilibrio es de aproximadamente 1250 K (1790 ° F). Los cálculos se hicieron descuidando la transferencia de calor por convección y descuidando la irradiación solar absorbida en las nubes / atmósfera por simplicidad, la teoría sigue siendo la misma para un problema real.

Para reducir la transferencia de calor de una superficie, como una ventana de vidrio, se puede colocar una película reflectante transparente con un revestimiento de baja emisividad en el interior de la superficie. "Los recubrimientos de baja emisión (baja emisividad) son capas de óxido metálico o metálico microscópicamente delgadas, virtualmente invisibles, depositadas en la superficie de una ventana o tragaluz principalmente para reducir el factor U suprimiendo el flujo de calor radiativo". [17] Al agregar este revestimiento, estamos limitando la cantidad de radiación que sale de la ventana, aumentando así la cantidad de calor que se retiene dentro de la ventana.

Dado que cualquier radiación electromagnética, incluida la radiación térmica, transmite tanto impulso como energía, la radiación térmica también induce fuerzas muy pequeñas sobre los objetos que irradian o absorben. Normalmente, estas fuerzas son insignificantes, pero deben tenerse en cuenta al considerar la navegación de naves espaciales. La anomalía de Pioneer , en la que el movimiento de la nave se desvió ligeramente del esperado solo por la gravedad, finalmente se rastreó hasta la radiación térmica asimétrica de la nave espacial. De manera similar, las órbitas de los asteroides se ven perturbadas ya que el asteroide absorbe la radiación solar en el lado que mira hacia el sol, pero luego vuelve a emitir la energía en un ángulo diferente a medida que la rotación del asteroide lleva la superficie cálida fuera de la vista del sol (el YORP efecto ).

Poder radiativo [ editar ]

Potencia emitida por un cuerpo negro graficada contra la temperatura de acuerdo con la ley de Stefan-Boltzmann.

La potencia de radiación térmica de un cuerpo negro por unidad de área de superficie radiante por unidad de ángulo sólido y por unidad de frecuencia viene dada por la ley de Planck como:

o en lugar de por unidad de frecuencia, por unidad de longitud de onda como

Esta fórmula se sigue matemáticamente del cálculo de la distribución espectral de energía en un campo electromagnético cuantificado que está en completo equilibrio térmico con el objeto radiante. La ley de Plancks muestra que la energía radiativa aumenta con la temperatura y explica por qué el pico de un espectro de emisión cambia a longitudes de onda más cortas a temperaturas más altas. También se puede encontrar que la energía emitida en longitudes de onda más cortas aumenta más rápidamente con la temperatura en relación con longitudes de onda más largas. [18] La ecuación se deriva como una suma infinita de todas las frecuencias posibles en una región de semiesfera. La energía,, de cada fotón se multiplica por el número de estados disponibles a esa frecuencia y la probabilidad de que cada uno de esos estados esté ocupado.

Integrando la ecuación anterior sobre la potencia de salida dada por la ley de Stefan-Boltzmann se obtiene como:

donde la constante de proporcionalidad es la constante de Stefan-Boltzmann y es el área de la superficie radiante.

La longitud de onda , para la cual la intensidad de emisión es más alta, viene dada por la ley de desplazamiento de Wien como:

Para superficies que no son cuerpos negros, se debe considerar el factor de emisividad (generalmente dependiente de la frecuencia) . Este factor debe multiplicarse por la fórmula del espectro de radiación antes de la integración. Si se toma como una constante, la fórmula resultante para la potencia de salida se puede escribir de una manera que contenga como factor:

Este tipo de modelo teórico, con una emisividad independiente de la frecuencia inferior a la de un cuerpo negro perfecto, a menudo se conoce como cuerpo gris . Para la emisividad dependiente de la frecuencia, la solución para la potencia integrada depende de la forma funcional de la dependencia, aunque en general no existe una expresión simple para ella. Hablando en términos prácticos, si la emisividad del cuerpo es aproximadamente constante alrededor de la longitud de onda de emisión máxima, el modelo de cuerpo gris tiende a funcionar bastante bien ya que el peso de la curva alrededor de la emisión máxima tiende a dominar la integral.

Constantes [ editar ]

Definiciones de constantes utilizadas en las ecuaciones anteriores:

Variables [ editar ]

Definiciones de variables, con valores de ejemplo:

Transferencia de calor radiante [ editar ]

La transferencia neta de calor radiativo de una superficie a otra es la radiación que sale de la primera superficie por la otra menos la que llega de la segunda superficie.

  • Para los cuerpos negros, la tasa de transferencia de energía de la superficie 1 a la superficie 2 es:

donde es el área superficial, es de flujo de energía (la velocidad de emisión por unidad de superficie) y es el factor de vista de la superficie 1 a la superficie 2. La aplicación tanto de la regla de reciprocidad para los factores de visión, y la ley de Stefan-Boltzmann , , los rendimientos:

donde es la constante de Stefan-Boltzmann y es la temperatura. [19] Un valor negativo de indica que la transferencia de calor por radiación neta es de la superficie 2 a la superficie 1.

  • Para dos superficies de cuerpo gris que forman un recinto, la tasa de transferencia de calor es:

donde y son las emisividades de las superficies. [19]

Se pueden derivar fórmulas para la transferencia de calor por radiación para disposiciones físicas más particulares o más elaboradas, como entre placas paralelas, esferas concéntricas y las superficies internas de un cilindro. [19]

Ver también [ editar ]

  • Incandescencia
  • Fotografía infrarroja
  • Revestimiento de control de radiación interior
  • Transferencia de calor
  • Radiación de Planck
  • Refrigeración radiante
  • Ecuación de Sakuma-Hattori
  • Unidad de dosis térmica
  • Ver factor

Referencias [ editar ]

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  2. ^ K. Huang, Mecánica estadística (2003), p.280
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  18. ^ Shao, Gaofeng; et al. (2019). "Mejora de la resistencia a la oxidación de recubrimientos de alta emisividad sobre cerámica fibrosa para sistemas espaciales reutilizables". Ciencia de la corrosión . 146 : 233–246. arXiv : 1902.03943 . doi : 10.1016 / j.corsci.2018.11.006 . S2CID 118927116 . 
  19. ^ a b c Transferencia de calor y masa, Yunus A. Cengel y Afshin J. Ghajar, cuarta edición

Lectura adicional [ editar ]

  • Siegel, John R. Howell, Robert; Howell. John R. (noviembre de 2001). Transferencia de calor por radiación térmica . Nueva York: Taylor & Francis, Inc. págs. (Xix - xxvi lista de símbolos para fórmulas de radiación térmica ). ISBN 978-1-56032-839-1. Consultado el 23 de julio de 2009 .
  • EM Sparrow y RD Cess . Transferencia de calor por radiación. Corporación Editorial del Hemisferio, 1978.

Detección remota por infrarrojos térmicos:

  • Kuenzer, C. y S. Dech (2013): Percepción remota por infrarrojos térmicos: sensores, métodos, aplicaciones (= percepción remota y procesamiento de imágenes digitales 17). Dordrecht: Springer.

Enlaces externos [ editar ]

  • Calculadora de emisiones de cuerpos negros
  • Transferencia de calor
  • Radiación atmosférica
  • Calibración de temperatura infrarroja 101