Radiación térmica
Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos con temperatura superior a 0 K emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagnético.
La materia en un estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura.
Los cuerpos negros emiten radiación térmica con el mismo espectro correspondiente a su temperatura, independientemente de los detalles de su composición. Para el caso de un cuerpo negro, la función de densidad de probabilidad de la frecuencia de onda emitida está dada por la ley de radiación térmica de Planck, la ley de Wien da la frecuencia de radiación emitida más probable y la ley de Stefan-Boltzmann da el total de energía emitida por unidad de tiempo y superficie emisora (esta energía depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta).
A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado que por sí mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se los ilumina, no podemos verlos. A temperaturas más altas, vemos los cuerpos debido a la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por sí mismos. Así, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color, pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas.
La relación entre la temperatura de un cuerpo y el espectro de frecuencias de su radiación emitida se utiliza en los pirómetros.
[editar] Ejemplos
- La radiación infrarroja de un radiador doméstico común o de un calefactor eléctrico es un ejemplo de radiación térmica.
- La luz emitida por una lámpara incandescente. La radiación térmica se produce cuando el calor del movimiento de partículas cargadas dentro de los átomos se convierte en radiación electromagnética.
- La aplicación de la Ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99% de la radiación emitida está entre las longitudes de onda 0,15 μm (micrómetros o micras) y 4 micras y su máximo, dado por la ley de Wien, ocurre a 0,475 micras. Como 1 Å = 10-10 m = 10-4 micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Å hasta 40000 Å y el máximo ocurre a 4750 Å. La luz visible se extiende desde 4000 Å a 7400 Å. La radiación ultravioleta u ondas cortas irían desde los 1500 Å a los 4000 Å y la radiación infrarroja o radiación térmica u ondas largas desde las 0,74 micras a 4 micras.
Tipos de radiaciones:
- radiación de radio
- radiación de microondas
- radiación infrarroja
- radiación visible
- radiación ultravioleta
- radiación X
- radiación gamma (es la que emite más energía y la más peligrosa)
- La aplicación de la Ley de Planck a la Tierra con una temperatura superficial de unos 288 K (15ºC) nos lleva a que el 99% de la radiación emitida está entre las longitudes de onda 3 μm (micrómetros o micras) y 80 micras y su máximo ocurre a 10 micras. La estratosfera de la Tierra con una temperatura entre 210 y 220 K radia entre 4 y 120 micras con un máximo a las 14,5 micras. Por tanto la Tierra sólo emite radiación infrarroja o térmica.
[editar] Radiación producida por las partículas suspendidas en una llama luminosa
El fenómeno de la radiación gaseosa es un tanto más complejo que el de la radiación emitida por un sólido puesto que, a diferencia de esta última que se distribuye de forma continua con la longitud de onda, la primera se concentra en intervalos de longitud de onda específicos. Los gases polares como CO2, H2O, NH3, CO, SO2 y gases de hidrocarburos emiten y absorben en un amplio margen de temperaturas, siendo los dos primeros los que más influencia tienen en dicho proceso. Los gases no polares como el O2 y N2 no emiten radiación y son esencialmente transparentes a la radiación térmica incidente, por lo que se les denomina diatérmicos [INCROPERA]. Se sabe además que la radiación gaseosa no es un fenómeno superficial sino volumétrico. La absortividad α del gas no es siempre igual a su emisividad ε, circunstancia que diferencia los gases de los sólidos grises para los cuales α = ε. Sin embargo, las llamas grises tienen, en general, una absortividad igual a la emisividad.
Es necesario distinguir además los gases que emiten o absorben radiación (llamada radiación no luminosa) de las llamas (radiación luminosa) que están cargadas de partículas sólidas (hollín, cenizas o incombustibles), siempre luminosas, frecuentemente opacas y de emisividad muy elevada. Las llamas se encuentran cargadas de partículas incandescentes que aumentan su emisividad εllama como consecuencia del recalentamiento de las partículas de combustible no quemadas, o por la formación de carbono por cracking, o como consecuencia de la presencia de cenizas, etc. [Centrales Térmicas, http://es.libros.redsauce.net/]. Para llamas claras de gases pobres y de gas de petróleo se toma ε llama = ε gases.
Pese a lo complejo del asunto, para calcular la tasa de transferencia de calor en llamas se puede obtener resultados satisfactorios asumiendo un gas gris y usando una emisividad y absortividad totales [CENGEL]. Para hallar la emisividad total del gas, Hottel [H. C. Hottel. “Radiant Heat Transmission.” In Heat Transmission, ed. W. H. McAdams. 3rd ed. New York: McGraw-Hill, 1954] presentó una serie cartas que han sido usadas ampliamente y con razonable exactitud para un gas con forma de hemisferio radiando al centro de su base.
La emisividad total, εg, compuesta por εc, la emisividad del CO2; εw, la emisividad del vapor de agua y ∆ε, un factor de corrección, se calcula a partir de la siguiente expresión:
Para hallar las emisividades de cada gas, se recurre a las tablas para el vapor de agua y el dióxido de carbono respectivamente, para una presión total de la mezcla de 1atm. Obsérvese que en los gases, aun con la asunción de cuerpo gris, la emisividad total εg es función de la temperatura Tg, de la presión parcial pg y de la longitud media L que el haz debe recorrer; el valor de L depende de la forma del recinto ocupado por los gases y su valor se ha determinado experimentalmente para diferentes geometrías
