Radiación

Transferencia de calor por Radiación: 
  Todos los cuerpos, cualquiera sea su temperatura, emiten energía en forma continua desde sus superficies. Esta energía se denomina energía radiante y es transportada por ondas electromagnéticas, por este motivo, la energía radiante puede transmitirse aún en el vacío. La emisión continua de energía radiante por un cuerpo se denomina radiación.

     Como consecuencia de este fenómeno, dos cuerpos colocados en el vacío que están a diferentes temperaturas alcanzan el equilibrio térmico debido a que el de menor temperatura recibe energía radiante del otro cuerpo de mayor temperatura. Cuando la energía radiante es absorbida por un cuerpo, se transforma en calor; no obstante, la energía radiante también puede ser reflejada (difundida) o refractada (propagada) por los cuerpos.

    La radiación es una forma de emisión de ondas electromagnéticas (asociaciones de campos eléctricos y magnéticos que se propagan a la velocidad de la luz) que emana todo cuerpo que esté a mayor temperatura que el cero absoluto. El ejemplo perfecto de este fenómeno es el planeta Tierra. Los rayos solares atraviesan la atmósfera sin calentarla y se transforman en calor en el momento en que entran en contacto con la tierra.

      La radiación térmica es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones. Esta energía es producida por los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportada por ondas electromagnéticas o fotones. La radiación térmica tiene básicamente tres tipos:

• -Radiación absorbida: La cantidad de radiación que incide en un cuerpo y queda retenida en él, como energía interna, se denomina radiación absorbida. Aquellos cuerpos que absorben toda la energía incidente de la radiación térmica, se denominan cuerpos negros (objetos teóricos o ideales que absorben toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él).
• -Radiación reflejada: Es la radiación reflejada por un cuerpo gris (es aquel que refleja la mitad de la luz que le llega, mitad de la radiación es reflejada y la otra mitad es absorbida).
• -Radiación transmitida: La fracción de la energía radiante incidente que atraviesa un cuerpo se llama radiación  transmitida.

   La asociación mutua de los procesos de emisión, absorción, reflexión y transmisión de energía radiante por diferentes sistemas de cuerpos se conoce como intercambio de energía radiante.

     El aire, por lo tanto, en los sistemas de transmisión de calor, es un elemento totalmente pasivo, que no ejerce ninguna función fundamental en los resultados térmicos de un local.

  Calentar objetos, personas, paredes, suelos, sin calentar el aire fundamentalmente es el proceso térmico que genera una instalación radiante, obteniendo beneficios sustanciales en cuanto a la mejora de confort, modificación de la humedad ambiental y consumo.

PROPIEDADES GENERALES DE LAS RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS

    Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la difracción y la interferencia. 

• Difracción: Fenómeno producido cuando un sistema de ondas que atraviesa un obstáculo por un orificio pequeño se propaga en todas direcciones detrás del mismo.

• Reflexión: Fenómeno que se produce cuando un sistema de ondas que se propaga en un medio homogéneo encuentra un obstáculo que lo hace retroceder cambiando de dirección y sentido

• Refracción: Cambio de dirección que experimentan las ondas cuando pasan de un medio a otro por variar su velocidad de propagación. La frecuencia de la onda no varía, pero la velocidad de propagación, y por tanto la longitud de onda son distintas porque se trata de un nuevo medio.

Leyes de la Radiación

-Ley de Stefan: Todos los objetos emiten energía radiante, cualquiera sea su temperatura, por ejemplo el sol, la tierra, la atmósfera, los polos, las personas, etc. La energía radiada por el sol a diario afecta nuestra existencia en diferentes formas. Esta influye en la temperatura promedio de la tierra, las corrientes oceánicas, la agricultura, el comportamiento de la lluvia, etc.

      Considerar la transferencia de radiación por una superficie de área A, que se encuentra a una temperatura T. la radiación que emite la superficie, se produce a partir de la energía térmica de la materia limitada por la superficie. La rapidez a la cual se libera energía se llama potencia de radiación H, su valor es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta. Esto se conoce como la ley de Stefan (Joseph Stefan, austriaco, 1835-1893) que se escribe como:

H=ɛσAT⁴

   Donde σ = 5.67x10^-8 W/(m²K⁴) se llama constante de Stefan-Boltzmann (Ludwig Boltzmann, austriaco, 1844-1906) y ɛ es una propiedad radiactiva de la superficie llamada emisividad, sus valores varían en el rango de 0 < ɛ < 1, es una medida de la eficiencia con que la superficie emite energía radiante, depende del material.

     Un cuerpo emite energía radiante con una rapidez dada por la ecuación H=ɛσAT⁴, pero al mismo tiempo absorbe radiación; si esto no ocurriera, el cuerpo en algún momento irradiaría toda su energía y su temperatura llegaría a cero absoluto. La energía que un cuerpo absorbe proviene de sus alrededores, los cuales también emiten energía radiante. Si un cuerpo se encuentra a temperatura T y el ambiente a una temperatura T₀ la energía neta ganada o perdida por segundo como resultado de la radiación es:

H=ɛσA(T⁴ - T₀⁴)

Representación de un Cuerpo Negro

     Cuando el cuerpo está en equilibrio con los alrededores, irradia y absorbe la misma cantidad de energía, por lo tanto su temperatura permanece constante. Cuando el cuerpo está más caliente que el ambiente, irradia más energía de la que absorbe, y por tanto se enfría.
     Un absorbedor perfecto se llama cuerpo negro (no significa que sea de color negro), que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiación que llega a su superficie y su emisividad es igual a uno. No se conoce ningún objeto así, aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97% de la radiación incidente. El Sol, la Tierra, la nieve, etc. Bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro. En la teoría, un cuerpo negro seria también un emisor perfecto de radiación, y emitiría a cualquier temperatura la máxima cantidad de energía disponible. A una temperatura dada, emitiría una cantidad definida de energía en cada longitud de onda. En contraste, un cuerpo cuya emisividad sea igual a cero, no absorbe la energía incidente sobre él, sino que la refleja toda, es un reflector perfecto. Los cuerpos con emisividades entre 0 y 1 se llaman cuerpos grises, son objetos reales. A raíz del fracaso de los intentos de calcular la radiación de un cuerpo negro ideal según la física clásica, se desarrollaron por primera vez los conceptos básicos de la teoría cuántica. Una buena aproximación de un cuerpo negro es el interior de un objeto hueco, como se muestra e la figura. La naturaleza de la radiación emitida por un cuerpo hueco a través de un pequeño agujero sólo depende de la temperatura de las paredes de la cavidad.

Ejemplo. Una carretera de superficie ennegrecida a una temperatura de 320 K recibe energía radiante del Sol por un valor de 700 W/m². Calcular la radiación neta ganada por cada m² de la superficie de la carretera.

Solución: la energía que emite la superficie de la carretera es:

H= ɛσAT⁴

H= 1 x 5.67×10^-8W/m²K⁴A (320 K)⁴

H/A=594.5W/m²

Como del Sol se recibe 700 W/m², la radiación neta es:

H/A(neta)=700-594.5=105.5W/m²

-Ley de Wien: De acuerdo a la teoría cuántica, se encuentra que los cuerpos a una temperatura determinada, emiten radiación con un valor máximo para una longitud de onda λ dada. Al aumentar la temperatura de un cuerpo negro, la cantidad de energía que emite se incrementa. También, al subir la temperatura, el máximo de la distribución de energía se desplaza hacia las longitudes de ondas mas cortas. Se encontró que este corrimiento obedece a la siguiente relación, llamada ley del desplazamiento de Wien (Wilhelm Wien, alemán, 1864-1928):

λ_máx T = 2897

donde λ_máx es la longitud de onda que corresponde al máximo de la curva de radiación, en µm, y T es la temperatura absoluta del objeto que emite la radiación. La ley de Wien afirma que para la radiación de un cuerpo negro la longitud de onda de máxima emisión es inversamente proporcional a la temperatura absoluta. Con esta ley se demuestra que la emisión de radiación de la superficie terrestre tiene un máximo en cerca 9.9µm, que corresponde a la región infrarroja del espectro. También muestra que la temperatura del Sol, si el máximo de emisión de radiación solar ocurre en 0.474µm, es del orden 6110 ºK.

-Ley de Planck: Los objetos con mayor temperatura radian más energía total por unidad de área que los objetos más fríos. Por ejemplo, el sol con una temperatura media de 6000 ºK en su superficie, emite 1.6x10⁵ (6000/300)⁴ veces más que la tierra con una temperatura media en superficie de 289 ºK = 16 ºC. Por definición, un cuerpo negro es un absorbedor perfecto. Este también emite la máxima cantidad de energía a una temperatura dada. La cantidad de energía emitida por un cuerpo negro esta únicamente determinada por su temperatura y su valor lo da la Ley de Planck. En 1900, Max Planck (alemán, 1858-1947), descubrió una fórmula para la radiación de cuerpo negro en todas las longitudes de onda. La función empírica propuesta por Planck afirma que la intensidad de radiación I(λ, T), esto es, la energía por unidad de tiempo por unidad de área emitida en un intervalo de longitud de onda, por un cuerpo negro a la temperatura absoluta T, está dada por:

Donde I(λ, T), es la densidad de flujo de energía por unidad de longitud de onda, en W/(m²µm), h es la constante de Planck, y k es la constante de Boltzmann, de valor k= 1.38x 10²³ J/K. 

-Ley del inverso del cuadrado de las distancias: También llamada ley cuadrática inversa se refiere a algunos fenómenos físicos cuya intensidad es inversamente proporcional a la distancia al centro donde originan. En particular se refiere a fenómenos ondulatorios (sonido y luz) y campos centrales.

Líneas representan el flujo que emana de una fuente puntual. La densidad de líneas de flujo disminuye a medida que la distancia aumenta.

En mecánica ondulatoria la ley inversa del cuadrado establece que para que una onda como, por ejemplo, el sonido o la luz, que se propaga desde una fuente puntual en todas las direcciones por igual, la intensidad de la misma disminuye de acuerdo con el cuadrado de las distancias a la fuente de emisión. Esta ley se aplica naturalmente a la intensidad sonora y a la intensidad de luz (iluminación), puesto que tanto el sonido como la luz son fenómenos ondulatorios.

            En teoría clásica de campos, en particular en campos centrales, la intensidad de campo también está gobernada por una ley de la inversa del cuadrado. Típicamente se observan en:

ü  La ley de la gravitación universal de Isaac Newton.

ü  El campo electrostático creado por una carga puntual.

            El hecho de que los campos centrales disminuyan de intensidad según la inversa del cuadrado, está relacionado con que el espacio tiene tres dimensiones espaciales. De hecho, puede probarse que en todo campo central que responde la ecuación de Poisson en un espacio D dimensiones decrece a grandes como 1/r^D-1, siendo r la distancia al centro de la fuente del campo.

COLECCION DE TABLAS, GRAFICAS Y ECUACIONES DE TRANSMISION DE CALOR

FORMULARIO

EJERCICIO#1

EJERCICIO#2

EJERCICIO#3

EJERCICIO#4

EJERCICIO#5

EJERCICIO#6

EJERCICIO#7

EJERCICIO#8

EJERCICIO#9

EJERCICIO#10

EXTRA1

BIBLIOGRAFÍA

http://www.cecatherm.com/calefaccion-radiante/radiacion-conveccion-conduccion

http://www.textoscientificos.com/fisica/transmision-calor/radiacion

https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/34475/1/Mecanismos%20de%20transmisi%C3%B3n%20de%20calor%20%28CONDUCCION%2C%20CONVECCION%2C%20RADIACION%29.pdf

https://prezi.com/jsptdneo6tbt/15-propiedades-de-las-radiaciones-electromagneticas/

http://ing.unne.edu.ar/pub/fisica2/2013/20130610/TransmdelcalorT05.pdf

http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-180.htm

https://www.academia.edu/8079073/ejercicios_resueltos_de_transferencias_de_calor


Colección de tablas, gráficas y ecuaciones de transmisión de calor. Versión 3.6 (Septiembre 2016) 
Juan Francisco Coronel Toro
Luis Pérez-Lombard Martín de Oliva 
Grupo de Termotecnia 
Dpto. de Ingeniería Energética Universidad de Sevilla