Energía radiante

En física, y particularmente en radiometría, la energía radiante es la energía de la radiación electromagnética y de la radiación gravitacional.^[1] Como forma de energía, su unidad en el SI es el joule (J). La cantidad de energía radiante se puede calcular integrando el flujo radiante (potencia radiante) con respecto al tiempo. El símbolo Q_e se utiliza frecuentemente en la literatura para denotar energía radiante (el subíndice "e" proviene de "energético", para distinguirla de las cantidades fotométricas). En otras ramas de la física, la energía electromagnética suele representarse con E o W. El término se emplea particularmente cuando una fuente emite radiación electromagnética hacia su entorno, ya sea visible o invisible al ojo humano.^[2]^[3]

Uso e historia de la terminología

El término "energía radiante" se emplea con mayor frecuencia en los campos de la radiometría, la energía solar, la calefacción y la iluminación, aunque ocasionalmente también se utiliza en otros campos, como las telecomunicaciones. En aplicaciones modernas que involucran la transmisión de energía de un punto a otro, "energía radiante" se usa a veces para referirse a las propias ondas electromagnéticas, más que a su energía (una propiedad de las ondas). Históricamente, 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 observadas fueron producidas por la colisión de un agujero negro binario, que emitió aproximadamente 5,3 × 10⁴⁷ julios de energía en forma de ondas gravitacionales.^[6]

Análisis físico

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

Debido a que la radiación electromagnética (EM) puede conceptualizarse como un flujo de fotones, la energía radiante puede entenderse como energía del fotón: la energía transportada por estos fotones. Alternativamente, la radiación EM puede considerarse una onda electromagnética que transporta energía en sus campos eléctrico y magnético oscilantes. Estas dos visiones son completamente equivalentes y se reconcilian en la teoría cuántica de campos (véase dualidad onda-partícula).^[7]

La radiación EM puede tener diversas frecuencias. Las bandas de frecuencia presentes en una señal EM determinada pueden ser discretas (como en los espectros atómicos) o continuas (como en la radiación de cuerpo negro). En la descripción corpuscular, la energía transportada por cada fotón es proporcional a su frecuencia (E = hν, donde h es la constante de Planck y ν la frecuencia). En la descripción ondulatoria, la energía de una onda monocromática es proporcional a su intensidad (cuadrado de la amplitud del campo). Esto implica que, para dos ondas EM de igual intensidad pero diferente frecuencia, la de mayor frecuencia contiene menos fotones, ya que cada fotón es más energético.

Cuando las ondas electromagnéticas son absorbidas por un material, su energía se convierte típicamente en calor (o en electricidad en el caso de un material fotoeléctrico). Este es un fenómeno familiar: la luz solar calienta las superficies que irradia. Aunque este fenómeno suele asociarse con la radiación infrarroja, cualquier tipo de radiación electromagnética puede calentar un objeto que la absorba. Las ondas electromagnéticas también pueden ser reflejadas o dispersadas, en cuyo caso su energía se redirige o redistribuye.

La densidad de energía radiante (energía por unidad de volumen) para un campo electromagnético en el vacío está dada por:^[8]

$u={\frac {1}{2}}\left(\varepsilon _{0}E^{2}+{\frac {1}{\mu _{0}}}B^{2}\right)$

donde ε₀ es la permitividad del vacío, μ₀ la permeabilidad magnética del vacío, E la magnitud del campo eléctrico y B la magnitud del campo magnético.

Sistemas abiertos

La energía radiante es uno de los mecanismos por los cuales la energía puede entrar o salir de un sistema abierto.^[9]^[10] Estos sistemas pueden ser artificiales, como un colector de energía solar, o naturales, como la atmósfera terrestre.

En geofísica y climatología, la mayoría de los gases atmosféricos, incluidos los gases de efecto invernadero (CO₂, CH₄, H₂O), permiten que la energía radiante de onda corta proveniente del Sol atraviese la atmósfera y caliente la superficie terrestre (suelo y océanos). La energía solar absorbida es reemitida parcialmente como radiación de onda larga (principalmente infrarroja), parte de la cual es absorbida por los gases de efecto invernadero, contribuyendo al efecto invernadero natural.^[11] La energía radiante producida en el Sol es el resultado de reacciones de fusión nuclear en su núcleo.^[12]

Aplicaciones

La energía radiante se utiliza en diversas aplicaciones tecnológicas y científicas.^[13]

Calefacción radiante: se emplea para calefacción de espacios mediante lámparas infrarrojas o sistemas de suelo radiante. La energía térmica se emite desde una superficie cálida (suelo, pared, techo) y calienta personas y objetos directamente, sin calentar el aire intermedio. Esto permite que la temperatura del aire sea menor que en sistemas convencionales, manteniendo una sensación de confort similar.^[14]

Generación de energía solar: la radiación solar se convierte en electricidad mediante células fotovoltaicas (efecto fotoeléctrico) o en calor mediante colectores térmicos.^[15]

Sensores y detectores: muchas aplicaciones involucran una fuente de energía radiante y un detector que responde a dicha radiación, generando una señal proporcional a alguna característica de la radiación (intensidad, longitud de onda, polarización). Los detectores de energía radiante producen respuestas como cambios en potencial eléctrico, corriente eléctrica o exposición de una película fotográfica.^[16]

Otras aplicaciones: tratamiento de materiales (curado por UV), inspección industrial (rayos X), separación y clasificación (espectroscopía), sistemas de control y comunicaciones (fibras ópticas, comunicaciones por láser).

Unidades de radiometría SI

Unidades radiométricas del SI
Magnitud		Unidad		Dimensión	Notas
Nombre	Símbolo^[17]	Nombre	Símbolo	Dimensión	Notas
Energía radiante	$Q e$ ^[18]	julio	J	M⋅L²⋅T⁻²	Energía de la radiación electromagnética.
Densidad de energía radiante	$w e$	julio por metro cúbico	J/m³	M⋅L⁻¹⋅T⁻²	Energía radiante por unidad de volumen.
Flujo radiante	$Φ e$ ^[18]	vatio	W = J/s	M⋅L²⋅T⁻³	Energía radiante emitida, reflejada, transmitida o recibida, por unidad de tiempo. A esto a veces también se le llama "potencia radiante", y se llama luminosidad en astronomía.
Flujo espectral	$Φ e, ν$ ^[19]	vatio por hercio	W/Hz	M⋅L²⋅T⁻²	Flujo radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅nm⁻¹.
Flujo espectral	$Φ e, λ$ ^[20]	vatio por metro	W/m	M⋅L⋅T⁻³
Intensidad radiante	$I e,Ω$ ^[21]	vatio por estereorradián	W/sr	M⋅L²⋅T⁻³	Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido, por unidad de ángulo sólido. Es una cantidad "direccional".
Intensidad espectral	$I e,Ω, ν$ ^[19]	vatio por estereorradián por hercio	W⋅sr⁻¹⋅Hz⁻¹	M⋅L²⋅T⁻²	Intensidad radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅sr⁻¹⋅nm⁻¹. Es una magnitud direccional.
Intensidad espectral	$I e,Ω, λ$ ^[20]	vatio por estereorradián por metro	W⋅sr⁻¹⋅m⁻¹	M⋅L⋅T⁻³
Radiancia	$L e,Ω$ ^[21]	vatio por estereorradián por metro cuadrado	W⋅sr⁻¹⋅m⁻²	M⋅T⁻³	Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido por una superficie, por unidad de ángulo sólido por unidad de área proyectada. Es una cantidad "direccional", a la que a veces también se le llama confusamente "intensidad".
Radiancia espectral Intensidad específica	$L e,Ω, ν$ ^[19]	vatio por estereorradián por metro cuadrado por hercio	W⋅sr⁻¹⋅m⁻²⋅Hz⁻¹	M⋅T⁻²	Resplandor de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅sr⁻¹⋅m⁻²⋅nm⁻¹. Es una cantidad "direccional", a la que a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral".
Radiancia espectral Intensidad específica	$L e,Ω, λ$ ^[20]	vatio por estereorradián por metro cuadrado, por metro	W⋅sr⁻¹⋅m⁻³	M⋅L⁻¹⋅T⁻³
Irradiancia Densidad de flujo	$E e$ ^[18]	vatio por metro cuadrado	W/m²	M⋅T⁻³	Flujo radiante recibido por una superficie por unidad de área. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad".
Irradiancia espectral Densidad de flujo espectral	$E e, ν$ ^[19]	vatio por metro cuadrado por hercio	W⋅m⁻²⋅Hz⁻¹	M⋅T⁻²	Irradiancia de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral". Las unidades de densidad de flujo espectral que no pertenecen al SI incluyen jansky (unidad) ((1 Jy = 10⁻²⁶ W⋅m⁻²⋅Hz^{− 1})) y unidad de flujo solar ((1 sfu = 10⁻²² W⋅m⁻²⋅Hz⁻¹ = 104 Jy)).
Irradiancia espectral Densidad de flujo espectral	$E e, λ$ ^[20]	vatio por metro cuadrado, por metro	W/m³	M⋅L⁻¹⋅T⁻³
Radiosidad	$J e$ ^[18]	vatio por metro cuadrado	W/m²	M⋅T⁻³	Flujo radiante que sale (emitido, reflejado y transmitido por) una superficie por unidad de área. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad".
Radiosidad espectral	$J e, ν$ ^[19]	vatio por metro cuadrado por hercio	W⋅m⁻²⋅Hz⁻¹	M⋅T⁻²	Radiosidad de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅m⁻²⋅nm⁻¹. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral".
Radiosidad espectral	$J e, λ$ ^[20]	vatio por metro cuadrado, por metro	W/m³	M⋅L⁻¹⋅T⁻³
Salida radiante	$M e$ ^[18]	vatio por metro cuadrado	W/m²	M⋅T⁻³	Flujo radiante emitido por una superficie por unidad de área. Este es el componente emitido de la radiosidad. "Emitancia radiante" es un término antiguo para esta cantidad. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad".
Salida espectral	$M e, ν$ ^[19]	vatio por metro cuadrado por hercio	W⋅m⁻²⋅Hz⁻¹	M⋅T⁻²	Exitancia radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅m⁻²⋅nm⁻¹. "Emitancia espectral" es un término antiguo para esta cantidad. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral".
Salida espectral	$M e, λ$ ^[20]	vatio por metro cuadrado, por metro	W/m³	M⋅L⁻¹⋅T⁻³
Exposición radiante	$H e$	julio por metro cuadrado	J/m²	M⋅T⁻²	Energía radiante recibida por una superficie por unidad de área, o equivalentemente irradiancia de una superficie integrada a lo largo del tiempo de irradiación. A esto a veces también se le llama "fluencia radiante".
Exposición espectral	$H e, ν$ ^[20]	julio por metro cuadrado por hercio	J⋅m⁻²⋅Hz⁻¹	M⋅T⁻¹	Exposición radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en J⋅m⁻²⋅nm⁻¹. A esto a veces también se le llama "fluencia espectral".
Exposición espectral	$H e, λ$ ^[20]	julio por metro cuadrado, por metro	J/m³	M⋅L⁻¹⋅T⁻²
Véase también: Sistema Internacional de Unidades, Radiometría y Fotometría

Véase también

Referencias

↑ «Radiant energy». its.bldrdoc.gov. Federal Standard 1037C. Archivado desde el original el 7 de mayo de 2009. Consultado el 27 de mayo de 2026.
↑ Barker, George Frederick (1892). Physics: Advanced Course. Henry Holt and Company. p. 367.
↑ Hardis, Jonathan E. (1984). «Visibility of Radiant Energy». SPIE Proceedings. Radiation Scattering in Optical Systems: 297-303. Archivado desde el original el 29 de septiembre de 2009. Consultado el 27 de mayo de 2026.
↑ 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 de marzo de 2016.
↑ Sciama, Dennis (17 de febrero de 1972). «Cutting the Galaxy's losses». New Scientist: 373. Consultado el 9 de marzo de 2016.
↑ Abbott, B. P. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (11 de febrero de 2016). «Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger». Physical Review Letters 116 (6): 061102. Bibcode:2016PhRvL.116f1102A. PMID 26918975. arXiv:1602.03837. doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102.
↑ Griffiths, David J. (2017). «9 (Electromagnetic Waves)». Introduction to Electrodynamics (4.ª edición). Cambridge University Press. ISBN 978-1-108-42041-9.
↑ Jackson, John D. (1999). «6 (Maxwell Equations)». Classical Electrodynamics (3.ª edición). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-30932-1.
↑ Moran, M. J.; Shapiro, H. N. (2008). «4 (Mass Conservation for an Open System)». Fundamentals of Engineering Thermodynamics (5.ª edición). John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-78735-8.
↑ Christopherson, Robert W. (2003). Elemental Geosystems (4.ª edición). Prentice Hall. p. 608. ISBN 978-0-13-144770-7.
↑ Houghton, John T. (2009). «3 (Radiative transfer)». The Physics of Atmospheres (3.ª edición). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-14456-8.
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↑ «6 (Radiant heating)». ASHRAE Handbook: Fundamentals. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. 2017. ISBN 978-1-939200-57-0.
↑ Green, Martin A. (2002). «Photovoltaic principles». Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 14 (1-2): 11-17. doi:10.1016/S1386-9477(02)00355-2.
↑ Saleh, Bahaa E. A.; Teich, Malvin Carl (2019). «22 (Photodetectors)». Fundamentals of Photonics (3.ª edición). John Wiley & Sons. ISBN 978-1-119-50687-4.
↑ Las organizaciones de estándares recomiendan que las magnitudes radiométricas se denoten con el sufijo e (de energético) para evitar confusión con cantidades fotométricas o fotónicas.
1 2 3 4 5 A veces se ven símbolos alternativos: $W$ o $E$ para energía radiante, $P$ o $F$ para flujo radiante, $I$ para irradiancia, $W$ para salida radiante.
1 2 3 4 5 6 Las magnitudes espectrales dadas por unidad de frecuencia se denotan con el sufijo "ν" (letra griega nu, que no debe confundirse con la letra "v", que indica una magnitud fotométrica.
1 2 3 4 5 6 7 8 Las cantidades espectrales dadas por unidad de longitud de onda se denotan con el sufijo "λ".
1 2 Las cantidades direccionales se indican con el sufijo "Ω".

Otras lecturas

Caverly, Donald Philip (1952). Primer of Electronics and Radiant Energy. New York: McGraw-Hill.
Whittaker, E. T. (Apr 1929). «What is energy?». The Mathematical Gazette (The Mathematical Association) 14 (200): 401-406. JSTOR 3606954. doi:10.2307/3606954.
Lang, Kenneth R. (1999). Astrophysical Formulae. Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-29692-8.
Mischler, Georg (2003). «Radiant energy». Lighting Design Knowledgebase. Archivado desde el original el 20 de septiembre de 2008. Consultado el 29 de octubre de 2008.
Elion, Glenn R. (1979). Electro-Optics Handbook. CRC Press. ISBN 0-8247-6879-5.
Hecht, Eugene (2017). Optics (5.ª edición). Pearson. ISBN 978-0-13-397722-6.

Enlaces externos

Radiant energy – Encyclopaedia Britannica
Radiometry – National Institute of Standards and Technology (NIST)

Datos: Q1259526

[FS1037C-1] «Radiant energy». its.bldrdoc.gov. Federal Standard 1037C. Archivado desde el original el 7 de mayo de 2009. Consultado el 27 de mayo de 2026.

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[Kennefick2007-4] 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 de marzo de 2016.

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[17] Las organizaciones de estándares recomiendan que las magnitudes radiométricas se denoten con el sufijo e (de energético) para evitar confusión con cantidades fotométricas o fotónicas.

[note-alternative-symbol-radiometric-18] 1 2 3 4 5 A veces se ven símbolos alternativos: $W$ o $E$ para energía radiante, $P$ o $F$ para flujo radiante, $I$ para irradiancia, $W$ para salida radiante.

[nu-19] 1 2 3 4 5 6 Las magnitudes espectrales dadas por unidad de frecuencia se denotan con el sufijo "ν" (letra griega nu, que no debe confundirse con la letra "v", que indica una magnitud fotométrica.

[landa-20] 1 2 3 4 5 6 7 8 Las cantidades espectrales dadas por unidad de longitud de onda se denotan con el sufijo "λ".

[omega-21] 1 2 Las cantidades direccionales se indican con el sufijo "Ω".

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