Energía radiante

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La luz visible, como la luz solar, transporta energía radiante, que se utiliza en la generación de energía solar.

En física, y en particular medida por radiometría, la energía radiante es la energía de la radiación electromagnética y gravitacional.[1]​ Como energía, su unidad SI es el joule (J). La cantidad de energía radiante puede calcularse integrando el flujo radiante (o potencia) con respecto al tiempo. El símbolo Qe se utiliza a menudo en la literatura para denotar energía radiante ("e" para "energético", para evitar confusiones con cantidades fotométricas). En ramas de la física distintas de la radiometría, se hace referencia a la energía electromagnética mediante E o W. El término se usa particularmente cuando una fuente emite radiación electromagnética al entorno circundante. Esta radiación puede ser visible o invisible para el ojo humano.[2][3]

Uso e historial de terminología[editar]

El término "energía radiante" se utiliza con mayor frecuencia en los campos de la radiometría, la energía solar, la calefacción y la iluminación, pero a veces también se utiliza en otros campos (como las telecomunicaciones). En aplicaciones modernas que implican la transmisión de energía de un lugar a otro, la "energía radiante" se utiliza a veces para referirse a las ondas electromagnéticas en sí mismas, en lugar de a su energía (una propiedad de las ondas). En el pasado, también se ha utilizado el término "energía electro-radiante".

El término "energía radiante" también se aplica a la radiación gravitacional.[4][5]​ Por ejemplo, las primeras ondas gravitacionales jamás observadas fueron producidas por la colisión de un agujero negro que emitió aproximadamente 5,3 ×1047 julios de energía de ondas gravitacionales.[6]

Análisis[editar]

Radiación de Cherenkov brillando en el núcleo de un reactor TRIGA.

Debido a que la radiación electromagnética (EM) se puede conceptualizar como una corriente de fotones, la energía radiante se puede ver como energía de fotones, la energía transportada por estos fotones. Alternativamente, la radiación EM puede verse como una onda electromagnética, que transporta energía en sus campos eléctricos y magnéticos oscilantes. Estas dos visiones son completamente equivalentes y se reconcilian entre sí en la teoría cuántica de campos (ver dualidad onda-partícula).

La radiación EM puede tener varias frecuencias. Las bandas de frecuencia presentes en una determinada señal EM pueden estar claramente definidas, como se ve en los espectros atómicos, o pueden ser amplias, como en la radiación de cuerpo negro. En la imagen de partículas, la energía transportada por cada fotón es proporcional a su frecuencia. En la imagen de la onda, la energía de una onda monocromática es proporcional a su intensidad. Esto implica que si dos ondas EM tienen la misma intensidad, pero diferentes frecuencias, la de mayor frecuencia "contiene" menos fotones, ya que cada fotón es más energético.

Cuando las ondas electromagnéticas son absorbidas por un objeto, la energía de las ondas se convierte en calor (o se convierte en electricidad en el caso de un material fotoeléctrico). Este es un efecto muy familiar, ya que la luz solar calienta las superficies que irradia. A menudo, este fenómeno se asocia particularmente con la radiación infrarroja, pero cualquier tipo de radiación electromagnética calentará un objeto que la absorba. Las ondas electromagnéticas también pueden reflejarse o dispersarse, en cuyo caso su energía también se redirecciona o redistribuye.

Sistemas abiertos[editar]

La energía radiante es uno de los mecanismos por los cuales la energía puede entrar o salir de un sistema abierto.[7][8][9]​ Tal sistema puede ser hecho por el hombre, como un colector de energía solar, o natural, como la atmósfera de la Tierra. En geofísica, la mayoría de los gases atmosféricos, incluidos los gases de efecto invernadero, permiten que la energía radiante de longitud de onda corta del Sol pase a través de la superficie de la Tierra, calentando el suelo y los océanos. La energía solar absorbida se vuelve a emitir en parte como radiación de longitud de onda más larga (principalmente radiación infrarroja), parte de la cual es absorbida por los gases de efecto invernadero atmosféricos. La energía radiante se produce en el sol como resultado de la fusión nuclear.[10]

Aplicaciones[editar]

La energía radiante se utiliza para la calefacción radiante. Puede generarse eléctricamente mediante lámparas infrarrojas, o puede absorberse de la luz solar y usarse para calentar agua. La energía térmica se emite desde un elemento cálido (piso, pared, panel superior) y calienta a las personas y otros objetos en las habitaciones en lugar de calentar directamente el aire. Debido a esto, la temperatura del aire puede ser más baja que en un edificio con calefacción convencional, aunque la habitación parezca igual de cómoda.

Se han ideado varias otras aplicaciones de la energía radiante.[11]​ Estos incluyen tratamiento e inspección, separación y clasificación, medio de control y medio de comunicación. Muchas de estas aplicaciones involucran una fuente de energía radiante y un detector que responde a esa radiación y proporciona una señal que representa alguna característica de la radiación. Los detectores de energía radiante producen respuestas a la energía radiante incidente, ya sea como un aumento o disminución en el potencial eléctrico o el flujo de corriente o algún otro cambio perceptible, como la exposición de una película fotográfica.

Unidades de radiometría SI[editar]

Unidades del SI utilizadas en radiometría
Magnitud física Símbolo Unidad del SI Abreviación Notas
Energía radiante Q julio J energía
Flujo radiante Φ vatio W Energía radiada por unidad de tiempo. Potencia.
Intensidad radiante I vatio por estereorradián W•sr−1 Potencia por unidad de ángulo sólido
Radiancia L vatio por estereorradián por metro cuadrado W•sr−1•m−2 Potencia. Flujo radiante emitido por unidad de superficie y por ángulo sólido
Irradiancia E vatio por metro cuadrado W•m−2 Potencia incidente por unidad de superficie
Emitancia radiante M vatio por metro cuadrado W•m−2 Potencia emitida por unidad de superficie de la fuente radiante
Radiancia espectral Lλ

o

Lν

vatio por estereorradián por metro cúbico o

vatio por estereorradián por metro cuadrado por hercio

W•sr−1•m−3

o

W•sr−1•m−2•Hz−1

Intensidad de energía radiada por unidad de superficie, longitud de onda y ángulo sólido. Habitualmente se mide en W•sr−1•m−2•nm−1
Irradiancia espectral Eλ

o
Eν

vatio por metro cúbico o

vatio por metro cuadrado por hercio

W•m−3

o
W•m−2•Hz−1

Habitualmente medida en W•m−2•nm−1



Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. "Radiant energy". Federal standard 1037C
  2. George Frederick Barker, Physics: Advanced Course, page 367
  3. Hardis, Jonathan E., "Visibility of Radiant Energy". PDF.
  4. Kennefick, Daniel (15 de abril de 2007). Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-11727-0. Consultado el 9 March 2016. 
  5. Sciama, Dennis (17 February 1972). «Cutting the Galaxy's losses». New Scientist: 373. Consultado el 9 March 2016. 
  6. Abbott, B.P. (11 February 2016). «Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger». Physical Review Letters 116 (6): 061102. PMID 26918975. doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102. 
  7. Moran, M.J. and Shapiro, H.N., Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Chapter 4. "Mass Conservation for an Open System", 5th Edition, John Wiley and Sons. ISBN 0-471-27471-2.
  8. Robert W. Christopherson, Elemental Geosystems, Fourth Edition. Prentice Hall, 2003. Pages 608. ISBN 0-13-101553-2
  9. James Grier Miller and Jessie L. Miller, The Earth as a System.
  10. Energy transformation. assets.cambridge.org. (excerpt)
  11. Class 250, Radiant Energy, USPTO. March 2006.

 

Otras lecturas[editar]