Transferencia del calor por radiación (con ejemplos)
La transferencia de calor por radiación consiste en el flujo de energía a través de las ondas electromagnéticas. Debido a que estas ondas pueden moverse a través del vacío a la velocidad de la luz, también pueden transmitir calor.
Las ondas electromagnéticas poseen todo un continuo de longitudes de onda, llamado espectro y que va desde las longitudes de onda más largas y menos energéticas, hasta las más breves y con mayor energía.
Entre ellas se encuentra la radiación infrarroja, una banda cercana al la franja de longitud de onda visible o luz, pero por debajo de ella. De esta manera llegan hasta la Tierra grandes cantidades de calor procedente del Sol, atravesando millones de kilómetros.
Pero no solamente los objetos incandescentes como el Sol emiten calor en forma de radiación, en realidad cualquier objeto lo hace continuamente, solo que cuando la temperatura es baja, la longitud de onda es grande y por consiguiente la energía, que es inversamente proporcional a ella, es pequeña.
Índice del artículo
- 1 ¿Cómo se transmite el calor por radiación?
- 2 Ejemplos transferencia del calor por radiación
- 3 Referencias
Cando los electrones vibran, emiten ondas electromagnéticas. Si las ondas son de baja frecuencia, equivale a decir que su longitud de onda es larga y el movimiento de la onda es lento, por lo tanto tiene poca energía. Pero si la frecuencia aumenta, la onda se mueve más rápidamente y tiene más energía.
Un objeto con cierta temperatura T emite radiación con frecuencia f, de manera que T y f son proporcionales. Y como las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse, los fotones infrarrojos, que se encargan de propagar la radiación, se pueden mover sin problema en el vacío.
Así es como llega la radiación del Sol hasta la Tierra y los demás planetas. Sin embargo, con la distancia las ondas se atenúan y la cantidad de calor disminuye.
La ley de Stefan afirma que la potencia P irradiada (en todas las longitudes de onda) es proporcional a T4, de acuerdo a la expresión:
P =AσeT4
En unidades del Sistema Internacional, la potencia viene en watts (W) y la temperatura en kelvin (K). En esta ecuación, A es el área superficial del objeto, σ es la constante de Stefan – Boltzman, que vale 5.66963 x10-8 W/m2 K4,
Finalmente e es la emisividad o emitancia del objeto, un valor numérico sin unidades, comprendido entre 0 y 1. El valor viene dado según el material, ya que los cuerpos muy oscuros tienen alta emisividad, todo lo contrario de un espejo.
Las fuentes de radiación, como el filamento de una bombilla o el Sol, emiten radiación en muchas longitudes de onda. La del Sol está casi toda en la región visible del espectro electromagnético.
Entre la longitud de onda máxima λmax y la temperatura T del emisor hay una relación dada por la ley de Wien:
λmax ∙ T = 2.898 . 10 −3 m⋅K
La radiación de un cuerpo negro
La siguiente figura muestra curvas de emisión de energía en función de la temperatura en kelvin, para un objeto ideal que absorbe toda la radiación que le incide y a su vez es un emisor perfecto. Este objeto es llamado cuerpo negro.
Los espacios entre los carbones de las brasas en un horno, se comportan como emisores de radiación ideales, del tipo de cuerpo negro, con bastante aproximación. Se han hecho numerosos experimentos para determinar las distintas curvas de temperatura y sus respectivas distribuciones de longitudes de onda.
Como puede verse, a mayor temperatura, menor es la longitud de onda, mayor es la frecuencia y la radiación tiene más energía.
Suponiendo que el Sol se comporte como un cuerpo negro, de entre las curvas mostradas en la figura, la que más cercana a la temperatura de la superficie solar es la de 5500 K. Su pico se encuentra en la longitud de onda de 500 nm (nanómetros).
La temperatura de la superficie solar es aproximadamente 5700 K. De la ley de Wien:
λmax = 2.898 × 10 −3 m⋅K / 5700 K = 508, 4 nm
Este resultado concuerda aproximadamente con el que se observa en la gráfica. Esta longitud de onda pertenece a la región visible del espectro, sin embargo, hay que recalcar que únicamente representa el pico de la distribución. En realidad el Sol irradia la mayor parte de su energía entre las longitudes de onda del infrarrojo, el espectro visible y el ultravioleta.
Todos los objetos, sin excepción, emiten alguna forma de calor por radiación, sin embargo, algunos son emisores mucho más notables:
La cocina es un buen lugar para estudiar los mecanismos de transferencia de calor, por ejemplo la radiación se aprecia acercando (con cuidado) la mano a la hornilla eléctrica que brilla con resplandor anaranjado. O también a las brasas de una parrilla para asar.
Los elementos resistivos de los calentadores, las tostadoras y los hornos eléctricos también se calientan y adquieren un brillo anaranjado, transmitiendo asimismo calor por radiación.
El filamento de las bombillas incandescentes alcanza altas temperaturas, entre 1200 y 2500 ºC, emitiendo energía distribuida en radiación infrarroja (la mayor parte) y luz visible, de color naranja o amarillo.
El Sol transmite calor por radiación hacia la Tierra, a través del espacio que los separa. De hecho, la radiación es el mecanismo de transferencia de calor más importante en casi todas las estrellas, si bien otros, como la convección, también juegan un rol importante.
La fuente de energía en el interior del Sol es el reactor de fusión termonuclear en el núcleo, que libera grandes cantidades de energía a través de la conversión de hidrógeno en helio. Buena parte de esa energía está en forma de luz visible, pero como se explicó previamente, las longitudes de onda del ultravioleta y el infrarrojo también son importantes.
El planeta Tierra también es un emisor de radiación, aunque no tiene un reactor en su centro, como el Sol.
Las emisiones terrestres se deben al decaimiento radiactivo de diversos minerales en su interior, como el uranio y el radio. Por eso el interior de las minas profundas siempre está caliente, si bien esta energía térmica es de una frecuencia menor a la que emite el Sol.
Como la atmósfera de la Tierra es selectiva con las distintas longitudes de onda, el calor del Sol llega hasta la superficie sin problema, ya que la atmósfera deja pasar las frecuencias mayores.
No obstante, la atmósfera es opaca ante la radiación infrarroja de menor energía, como la producida en la Tierra por causas naturales y por la mano humana. En otras palabras, no la deja escapar al exterior y por lo tanto contribuye al calentamiento global del planeta.
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