Tema personal asignado (Radiacion termica)

RADIACIÓN TÉRMICA

La temperatura de un cuerpo que está más caliente que su entorno tiende a decrecer con el tiempo, lo que equivale a decir que el cuerpo está desprendiendo energía.
Esta pérdida de energía por parte del cuerpo se puede producir mediante los mecanismos de conducción y de convección, en los que la magnitud del intercambio energético es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el entorno.
Estas modalidades de transmisión necesitan de la presencia de algún medio que se encuentre en contacto con el cuerpo que se considera.
Si aislamos completamente un cuerpo caliente de cualquier medio que pueda estar en contacto con él (es decir, hacemos el vacío) podemos comprobar que la temperatura también disminuye con el tiempo y que el cuerpo pierde energía.
El tipo de transmisión de energía registrado en estos casos es completamente distinta al de los dos anteriores y se conoce con el nombre de "radiación térmica".
Para que un cuerpo pierda energía por radiación no es necesario que se caliente.
La radiación térmica forma parte de un fenómeno más general, conocido con el nombre de energía radiante.
La forma detallada del espectro de radiación térmica depende de la composición del cuerpo que la emite.

RADIACIÓN DE LOS CUERPOS

Existen varias teorías para explicar la transmisión de energía por radiación.
Una de ellas sostiene que el cuerpo emite "paquetes" o "cuantos" de energía y sirve para explicar el efecto fotoeléctrico, la radiación térmica, etc.
Otra afirma que la radiación puede representarse por un movimiento electromagnético ondulatorio; con esta base explica los fenómenos de interferencia y polarización de la luz, etc.
En la actualidad se acepta una teoría híbrida en la que se asignan a la vez, a la energía radiante, las características del movimiento ondulatorio y de la emisión discontinua.
Todos los cuerpos emiten energía y a su vez la absorben de sus inmediaciones.
Cuando se alcanza el equilibrio térmico, la velocidad de emisión y absorción son iguales.
La materia en estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro continuo de radiación. Este espectro depende sobremanera de la temperatura.
A temperaturas ordinarias, los cuerpos se ven por la luz que reflejan, no por la que emiten.
Sin embargo, a temperaturas altas los cuerpos son autoluminosos y es posible verlos brillar en cuartos oscuros.
Si se eleva uniformemente la temperatura de un cuerpo caliente, se observa: A mayor temperatura, mayor radiación térmica emitida.
Entre más alta la temperatura, más alta es la frecuencia de la parte del espectro que radia más intensamente; los colores cambian de “rojo vivo” a “rojo blanco” a “azul”.
Así, se puede estimar la temperatura de cuerpos incandescentes (estrellas, hierro, etc.) a través del análisis de su espectro o del color principal que es visible.
Cuando el origen de la radiación es el calor, la energía se emite en función solo de la temperatura y se denomina radiación térmica., es la zona del espectro radiante comprendida entre las longitudes de onda de 1 x10-7 a 1x10-4 m

Cuerpo Negro
No todas las superficies emiten o absorben la misma cantidad de energía radiante cuando se calientan a la misma temperatura.
Un cuerpo que absorba o emita a una temperatura determinada la máxima cantidad de energía se denomina superficie negra o simplemente cuerpo negro.
Un cuerpo negro perfecto no existe en la realidad, sino que es un ente ideal que se utiliza como referencia respecto a otros radiadores.
No obstante, existen numerosas superficies que son cuerpos negros casi perfectos, sobre todo para radiaciones de onda larga, por lo que para casos prácticos son considerados como tales con suficiente exactitud.
El cuerpo negro es entonces, un cuerpo imaginario que se supone con capacidad para absorber toda la radiación térmica incidente; es decir, aquel en el que a=1 y r = 0 .
Este es el cuerpo "absolutamente negro", o, en otras palabras, un absorbente perfecto de la radiación.
Se llaman "negros" porque las superficies pintadas de negro suelen presentar poderes absorbentes muy altos.


Cuerpo Gris

Cuando una superficie conserva constantes sus propiedades cromáticas en todo el espectro se denomina superficie gris.
Llamamos "cuerpo gris" o “emisor gris” a un tipo especial de superficie no negra en el que el poder emisivo monocromático es independiente de la longitud de onda de la radiación emitida, en el que la emisión del cuerpo gris en función de la longitud de onda W(l) y la emisión del cuerpo negro W (l) n dan el mismo cociente para todas las longitudes de onda de las radiaciones emitidas a la misma temperatura.
Esta definición de cuerpo gris no elimina la posibilidad de que el poder emisivo dependa de la temperatura de la superficie emisora.
Las características de superficie gris la poseen en grado bastante elevado ciertos materiales, como la pizarra, etc.
Además, empleando el valor medio del poder emisivo tomado a lo largo de toda la banda de longitudes de onda es posible representar una superficie no gris como si lo fuera.
Si llamamos poder emisivo de una superficie gris, e considerando que depende sólo de la temperatura del emisor, la emitancía de una superficie gris será: W = eW n
El suponer que el poder es independiente de la longitud de onda de la emisión determina que la curva de distribución de la emitancía monocromática para un cuerpo gris pueda ajustarse a la de una superficie absolutamente negra a la misma temperatura, sin que se registre un desplazamiento del máximo de la curva.

Cuerpos Reales

Los cuerpos reales son los que tienen unos niveles de distribución de energía complejos, hallamos habitualmente que la radiación no está distribuida como la del cuerpo negro, ya sea, con respecto a la longitud de onda o con la dirección de la emisión.
Sin embargo, por razón de sencillez, empleamos a veces el cuerpo negro como un patrón para representar en relación con él, las propiedades generales de un cuerpo.
De esta forma podemos asignar al cuerpo una emisividad global, e , de forma que a la temperatura T , emita una fracción e de la energía emitida por el cuerpo negro a esa temperatura.
Asignamos a un cuerpo las propiedades de reflexión, r , de poder de absorción, a , y transmisión, t , en tal forma que si una radiación de intensidad P incide sobre él, las proporciones en que se refleja la energía será rP , en que se absorbe aP y transmite tP .
Todas las cuales varían entre cero y uno para los cuerpos reales.
Estas propiedades de radiación, varían mucho según los cuerpos y, lo que es más importante, varían con la longitud de onda de la radiación para un cuerpo dado.
Esta dependencia de la longitud de onda, es por supuesto debida al carácter del proceso absorción-emisión.
Esto se puede representar muy bien expresando las propiedades en términos de la temperatura del cuerpo (para la temperatura de la fuente de la radiación incidente, y por lo tanto de su longitud de onda (para las otras propiedades).



LEYES DE RADIACIÓN

Ley de Stefan Boltzman
En 1879 , Josef Stefan (1835-1893) propuso la dependencia de la potencia de radiación o ritmo de emisión de energía electromagnética con la temperatura elevada a la cuarta potencia a partir del análisis de los datos experimentales. Cinco años más tarde Ludwig Boltzman obtuvo la ley teóricamente partiendo de valores experimentales.
Sugirió que la emitancía de una superficie, W, es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta
Más tarde, Boltzman aplicó los conceptos del ciclo de Carnot, considerando la energía radiante como medio operatorio, y obtuvo la misma relación por vía analítica.
Como el cuerpo negro perfecto, ya definido, tiene un comportamiento único y característico, es conveniente emplearlo como base para representar la proporcionalidad indicada en las observaciones de Stefan Boltzman.
Ley de Stefan Boltzman para la radiación del cuerpo negro es:
W = eσAT ^4 donde e es la emisividad del cuerpo, siempre será 0 < e <1, cuando e =1, estamos en el caso del cuerpo negro mK
σ = 5.67 *10-8W es la constante de Stefan-Boltzmann
La radiación que emitiría un cuerpo negro puede aproximarse con la precisión deseada por la radiación emitida a través de un agujero pequeño practicado en una cavidad (que está a una temperatura inferior a la temperatura de fusión del material que forma las paredes de la cavidad).

Ley de Wien
La ley del desplazamiento de Wien afirma que el máximo de la intensidad de la radiación térmica emitida por un cuerpo negro ideal se desplaza, con el aumento de la temperatura, hacia la región de longitudes de onda más corta.

La ley de Wien dice: " El producto de la temperatura absoluta de un cuerpo negro por la longitud de onda para la cual la radiación emitida es máxima, es igual a una constante".
Tenemos:
Λ max T= 2,898 10-3 m°K
La ley de Wien se utiliza para determinar las temperaturas de las estrellas, a partir de los análisis de su radiación.
Se usa también en la termografía, que muestra variaciones de temperaturas en diferentes regiones de la superficie de un objeto, permitiendo detectar, por ejemplo, cáncer, ya que los tejidos cancerosos tienen una temperatura levemente mayor a los sanos de su alrededor.

Ley de Kirchhoff
Un teorema de carácter general que equipara la emisión y absorción en objetos calientes, propuesto por Kirchhoff en 1859, a raíz de las consideraciones generales de equilibrio termodinámico.
Un objeto en alguna temperatura no nula emite radiación electromagnética. Si se trata de un cuerpo negro ideal, absorbería toda la luz que incide sobre él, irradiando energía de acuerdo a la fórmula de emisión de cuerpo negro.
En el caso más general, se trata de un "cuerpo gris", que irradia con cierta emisividad. La ley de Kirchhoff establece que:
"En el equilibrio térmico, la emisividad de un cuerpo (o superficie) es igual a su absorbencia."
La Ley de Kirchhoff tiene un corolario: la emisividad no puede ser mayor a uno (pues esto es imposible, por la conservación de la energía), por lo que no es posible térmicamente irradiar más energía que un cuerpo negro, en equilibrio.
Este teorema puede resumirse como: un mal reflector es un buen emisor, y un buen reflector es un mal emisor.

Ley de Plank