RADIACIÓN Y EVAPORACION

Radiación.

Conceptos básicos.

Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos 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.

Ejemplos resueltos.

Emisión de radiación de una esfera negra.

Considere una pieza esférica de 20 cm de diámetro a 800 K, suspendida en el aire. Suponiendo que la esfera se aproxima mucho a un cuerpo negro, determine: a) el poder total de emisión de cuerpo negro, b) la cantidad total de radiación emitida por la bola en 5 min y c) el poder de emisión espectral de cuerpo negro a la longitud de onda de 3 µm.

Solución:

Una esfera isotérmica está suspendida en el aire. Se deben determinar el poder total de emisión de cuerpo negro, la radiación total emitida en 5 min y el poder de emisión espectral de cuerpo negro a 3 µm.

Suposición:

La esfera se comporta como un cuerpo negro.

Análisis:

El poder total de emisión de cuerpo negro se determina a partir de la ley de Stefan-Boltzmann como:

Es decir, la esfera emite 23.2 KJ de energía en la forma de radiación electromagnética por segundo por m2 de área superficial de la esfera.

La cantidad total de energía de radiación emitida desde toda la bola en 5 min se determina al multiplicar el poder de emisión de cuerpo negro que acaba de obtenerse por el área superficial total de la esfera y el intervalo de tiempo dado:

Es decir, la esfera pierde, en 5 min, 875 kJ de su energía interna, en la forma de ondas electromagnéticas, hacia los alrededores, lo cual es energía suficiente como para calentar 20 kg de agua desde 0ºC hasta 100ºC. Nótese que la temperatura de la superficie de la esfera no puede permanecer constante a 800 K, a menos que haya cantidad igual de flujo de energía hacia la superficie proveniente de los alrededores o de las regiones interiores de la propia esfera a través de algunos mecanismos como reacciones químicas o nucleares.

El poder de emisión espectral de cuerpo negro a una longitud de onda de 3 µm se determina basándose en la ley de distribución de Planck como:

Luz emitida por el sol y una bombilla

Los sensores de imágenes con dispositivos de cargas interconectadas (CCD), son comunes en las cámaras digitales modernas y tienen distintas respuestas a las fuentes lumínicas con diferentes distribuciones espectrales. La luz de día y la luz incandescente pueden aproximarse como un cuerpo negro a las temperaturas superficiales efectivas de 5800 K y 2800 K, respectivamente. Determine la fracción de radiación emitida dentro de la longitud de onda de espectro visible de 0.40 µm (violeta) a 0.76 µm (rojo), para cada una de las fuentes lumínicas.

Solución:

Se debe determinar la fracción de radiación visible emitida por el sol y el filamento de un foco incandescente a las temperaturas de cuerpo negro especificadas.

Suposición:

El sol y el filamento de luz incandescente se comportan como cuerpos negros.

Análisis:

El rango visible del espectro electromagnético se extiende de a . Se determinan las funciones de radiación de cuerpo negro que corresponden a y , para el sol a T= 5800 K.

Entonces la fracción de radiación visible emitida por el sol se convierte en:

Para un foco incandescente a T=2800 K, las funciones de radiación de cuerpo negro corresponden a y y se determina como:

Entonces, la fracción de radiación del foco que emite en rango visible se vuelve:

Discusión:

Observe que aproximadamente la mitad de la radiación emitida por el sol se encuentra dentro del rango visible, por lo tanto, el sol es una fuente de luz muy eficiente. Pero menos del 10% de la radiación emitida por un foco incandescente está dentro del rango de luz visible; por lo tanto, los focos incandescentes son fuentes lumínicas ineficientes. En consecuencia, se reemplazan por fuentes lumínicas LED y fluorescentes más eficientes.

Evaporación.

Conceptos básicos.

La evaporación es un proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, la evaporación se puede producir a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada sea esta. No es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición. Cuando existe un espacio libre encima de un líquido, una parte de sus moléculas está en forma gaseosa, al equilibrase, la cantidad de materia gaseosa define la presión de vapor saturante, la cual no depende del volumen, pero varía según la naturaleza del líquido y la temperatura. Si la cantidad de gas es inferior a la presión de vapor saturante, una parte de las moléculas pasan de la fase líquida a la gaseosa: eso es la evaporación. Cuando la presión de vapor iguala

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