- Propietats de la radiació tèrmica
- Exemples de radiació tèrmica
- La radiació tèrmica de el Sol
- La llei de Wien
- Aplicacions de la radiació tèrmica
- L'energia solar
- càmeres infraroges
- pirometria
- astronomia
- indústria militar
- referències
La radiació tèrmica és l'energia transmesa per un cos gràcies a la seva temperatura ia través de les longituds d'ona d'infraroig de l'espectre electromagnètic. Tots els cossos sense excepció emeten alguna radiació infraroja per molt baixa que sigui la seva temperatura.
Succeeix que quan estan en moviment accelerat, les partícules carregades elèctricament oscil·len i gràcies a la seva energia cinètica, emeten contínuament ones electromagnètiques.
Figura 1. Estem molt familiaritzats amb la radiació tèrmica que prové de el Sol, el qual de fet és la principal font d'energia calorífica. Font: Pxhere.
L'única manera que un cos no emeti radiació tèrmica és que les seves partícules es trobin en total repòs. D'aquesta manera la seva temperatura seria 0 en l'escala Kelvin, però reduir a tal punt la temperatura d'un objecte és una cosa que no s'ha aconseguit encara.
Propietats de la radiació tèrmica
Una propietat notable que distingeix aquest mecanisme de transferència de calor d'altres, és que no es necessita d'un medi material perquè es produeixi. Així, l'energia emesa pel Sol, per exemple, viatja 150 milions de quilòmetres a través de l'espai i arriba a la Terra contínuament.
Hi ha un model matemàtic per conèixer la quantitat d'energia tèrmica per unitat de temps que irradia un objecte:
Aquesta equació es coneix amb el nom de llei de Stefan i en ella apareixen les següents magnituds:
- Energia tèrmica per unitat de temps P, que es coneix com a potència i la unitat en el Sistema Internacional d'Unitats és el watt o watt (W).
-El àrea superficial de l'objecte que emet calor A, en metres quadrats.
-Una constant, anomenada constant de Stefan - Boltzman, denotada per σ i el valor és 5.66963 x10 -8 W / m 2 K 4,
-La emissivitat (també anomenada emitància) de l'objecte i, una quantitat adimensional (sense unitats) el valor està entre 0 i 1. Està relacionada amb la naturalesa de l'material: per exemple un mirall té baixa emissivitat, mentre que un cos molt fosc té alta emissivitat.
-I finalment la temperatura T en kelvin.
Exemples de radiació tèrmica
Segons la llei de Stefan, la taxa a la qual un objecte irradia energia és proporcional a l'àrea, a l'emissivitat ia la quarta potència de la temperatura.
Com la taxa d'emissió de l'energia tèrmica depèn de la quarta potència de T, és evident que petits canvis de temperatura tindran un enorme efecte en la radiació emesa. Per exemple, si la temperatura es duplica, la radiació augmentaria 16 vegades.
Un cas especial de la llei de Stefan és el radiador perfecte, un objecte completament opac anomenat cos negre, la emissivitat és exactament 1. En aquest cas la llei de Stefan queda així:
Succeeix que la llei de Stefan és un model matemàtic que descriu de forma aproximada la radiació emesa per qualsevol objecte, ja que considera l'emissivitat com una constant. En realitat l'emissivitat depèn de la longitud d'ona de la radiació emesa, l'acabat de la superfície i altres factors.
Quan es considera i com a constant i s'aplica la llei de Stefan tal com es va indicar a el principi, llavors a l'objecte l'hi denomina cos gris.
Els valors de l'emissivitat per a algunes substàncies tractades com a cos gris són:
-Alumini polit 0.05
-Carbó negre 0.95
-Pell humana de qualsevol color 0.97
-Fusta 0.91
-Hielo 0.92
-Aigua 0.91
-Coure entre 0.015 i 0.025
-Acer entre 0.06 i 0.25
La radiació tèrmica de el Sol
Un exemple tangible d'un objecte que emet radiació tèrmica és el Sol. S'estima que cada segon, aproximadament 1370 J d'energia en forma de radiació electromagnètica arriben a la Terra provinents de Sol.
Aquest valor es coneix com la constant solar i cada planeta té una, que depèn de la seva distància mitjana a el Sol.
Aquesta radiació travessa perpendicularment cada m 2 de les capes atmosfèriques i es troba distribuïda en diverses longituds d'ona.
Gairebé tota ve en forma de llum visible, però una bona part arriba com a radiació infraroja, que justament és la que percebem com a calor, i una altra també com raigs ultraviolats. És una gran quantitat d'energia suficient per cobrir les necessitats de l'planeta, per tal de capturar-la i aprofitar-la convenientment.
En termes de la longitud d'ona, aquests són els rangs dins dels quals es troba la radiació solar que arriba a la Terra:
- Infraroig, la qual percebem com a calor: 100 - 0.7 micres *
- Llum visible, entre 0,7-0,4 micres
- Ultraviolada, menor a 0.4 micres
* 1 micres = 1 micròmetre o la milionèsima part d'un metre.
La llei de Wien
La següent imatge mostra la distribució de la radiació respecte a la longitud d'ona per a diverses temperatures. La distribució obeeix a la llei de desplaçament de Wien, segons la qual la longitud d'ona de la radiació màxima λ màx és inversament proporcional a la temperatura T en kelvin:
λ màx T = 2.898. 10 -3 m⋅K
Figura 2. Gràfica de la radiació en funció de la longitud d'ona per a un cos negre. Font: Wikimedia Commons.
El Sol té una temperatura superficial d'aproximadament de 5700 K i irradia principalment en longituds d'ona més curtes, com hem vist. La corba que més s'aproxima a la de el Sol és la de 5000 K, en blau i per descomptat té el màxim en el rang de llum visible. Però també emet una bona part en infraroig i ultraviolada.
Aplicacions de la radiació tèrmica
L'energia solar
La gran quantitat d'energia que el Sol irradia es pot emmagatzemar en dispositius anomenats col·lectors, per després transformar-la i utilitzar-la convenientment com a energia elèctrica.
càmeres infraroges
Són càmeres que, com el seu nom indica, operen a la regió de l'infraroig en comptes de fer-ho a la llum visible, com les càmeres comuns. Elles aprofiten el fet que tots els cossos emeten radiació tèrmica en major o menor mesura segons la seva temperatura.
Figura 3. Imatge d'un gos captada per una càmera infraroja. Originalment les zones més clares representen les de major temperatura. Els colors, que s'afegeixen a l'processar per facilitar la interpretació, mostren les diferents temperatures en el cos de l'animal. Font: Wikimedia Commons.
pirometria
Si les temperatures són molt elevades, mesurar-les amb un termòmetre de mercuri no és el més indicat. Per a això es prefereixen els piròmetres, a través dels quals es dedueix la temperatura d'un objecte coneixent la seva emissivitat, gràcies a l'emissió d'un senyal electromagnètica.
astronomia
La llum de les estrelles es modela molt bé amb l'aproximació de el cos negre, així com l'univers sencer. I per la seva banda, la llei de Wien s'utilitza freqüentment en astronomia per determinar la temperatura de les estrelles, d'acord amb la longitud d'ona de la llum que emeten.
indústria militar
Els míssils són dirigits cap al blanc mitjançant senyals infraroges que busquen detectar les zones més calentes en els avions, com ara els motors per exemple.
referències
- Giambattista, A. 2010. Physics. 2nd. Ed. McGraw Hill.
- Gómez, E. Conducció, convecció i radiació. Recuperat de: eltamiz.com.
- González de Arrieta, I. Aplicacions de la radiació tèrmica. Recuperat de: www.ehu.eus.
- NASA Earth Observatory. Climate and Earth 's Energy Budget. Recuperat de: earthobservatory.nasa.gov.
- Natahenao. Aplicacions de la calor. Recuperat de: natahenao.wordpress.com.
- Serway, R. Física per a Ciències i Enginyeria. Volum 1. 7dt. Ed. Cengage Learning.