Radiación térmica

[pic 1]

UNIVERSIDAD SIMÓN^[a] BOLÍVAR

Unidad de Laboratorios – Laboratorio A

Sección de Fenómenos de Transporte

Laboratorio de Fenómenos de Transporte II (TF-2282)

RADIACIÓN TÉRMICA

María Eloísa Tovar 13-11416

Pedro Gamardo 14-1037

Alexia González 16-10458

Heliana Solett 16-11138

Sartenejas, febrero 2023

SUMARIO

        El intercambio de energía de un sistema a sus alrededores o viceversa, es conocido como transferencia de calor, donde acorde a la temperatura será el sentido de la reacción. En este caso se estudió la transferencia de calor de dos placas, una anodizada y otra negra, donde se obtuvo como emisividades 0,16±0,02 y 0,29±0,04 respectivamente, donde a pesar de presentar errores mayores a 70%, teóricamente se cumple que el cuerpo negro presentara mayor emisividad. Asimismo, se verificó la Ley del Cuadrado Inverso de la Distancia al tomar la temperatura y potencia del radiómetro en diferentes puntos del carril. Por último, se comprobó la Ley del Coseno de Lambert, donde la disminución de la intensidad de la luz dependerá del ángulo de inclinación que posea la trayectoria de radiación, donde para la luz blanca se obtuvo el menor error en comparación con la luz verde, azul y amarilla.  

INTRODUCCIÓN

La radiación es un término que genera dudas en muchos casos, ya que parte de la radiación puede tener consecuencias negativas. En la industria, sin embargo, la radiación también se utiliza como instrumento de detección, prueba y medición, y como agente activo que inicia reacciones químicas muy útiles. Por ejemplo, pueden encontrar fugas en oleoductos y tuberías de agua, gas y electricidad, medir el espesor y garantizar la uniformidad de las placas de metal, medir el nivel y la densidad de los combustibles líquidos y verificar el proceso de mezcla. La mayoría de estas aplicaciones se realizan con fuentes radiactivas de bajo nivel, que se utilizan externamente o se introducen en la sustancia como trazadores.

Por otro lado, la radiación se puede utilizar para la polimerización, ya que permite que el proceso comience a temperaturas y presiones más bajas que las normalmente requeridas, y para la esterilización, lo que permite la destrucción de microorganismos en sustancias sensibles como proteínas y enzimas.

Nuevamente, este mecanismo de transferencia de calor está presente en procesos de calentamiento, hornos y secadores de calor radiante, y se utiliza en procesos de rehabilitación a nivel médico. Incluso utilizar la energía emitida por el sol como fuente alternativa y no contaminante es uno de esos estudios que involucran el mecanismo de la radiación.

El siguiente trabajo tuvo como objetivo el estudio de la radiación térmica, para lo cual se determinó la emisividad de superficies anodizadas plata y negro mate. Además, intenta verificar las leyes que rigen la transferencia de calor por radiación, a saber, la ley del coseno de Lambert y la ley de la distancia del inverso del cuadrado.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

La radiación térmica está relacionada con la intensidad con la que la materia emite energía debido a su temperatura infinita. Este mecanismo de emisión está relacionado con la liberación de energía debido a las oscilaciones o transiciones de los numerosos electrones que componen la materia. Estas oscilaciones, a su vez, son provocadas por las condiciones internas de energía y temperatura del cuerpo, por lo que no depende de un medio específico para que se produzca la transferencia de energía [3].

Cuando un objeto tiene una temperatura absoluta superior a cero, emite radiación en todas las direcciones en una amplia gama de longitudes de onda. La cantidad de energía radiante emitida por una superficie a una determinada longitud de onda dependerá del tipo de material del cuerpo. Esta es la razón por la cual dos objetos pueden emitir diferentes cantidades de radiación por unidad de área si están a la misma temperatura [4].

Un cuerpo negro se define como un emisor y absorbente perfecto de radiación. Un cuerpo negro absorbe toda la radiación incidente, y ningún objeto a una determinada temperatura y longitud de onda emite más energía que un cuerpo negro. La energía de radiación emitida por el cuerpo negro se determina de acuerdo con la siguiente expresión: [4]

 (W/m^2);[pic 2]

Ec. 1

Donde  es la constante de Stefan-Boltzmann.[pic 3]

Para un cuerpo cualquiera, la radiación emitida se determina a partir de la siguiente expresión: (ver ec. 2)

 (W/m^2);[pic 4]

Ec. 2

Donde aquí, se denota   a la emisividad. Esta se define como la razón entre la radiación emitida por una superficie a una temperatura dada y la radiación emitida por un cuerpo negro a las mismas condiciones, ella varía entre 0 y 1 [4].[pic 5]

En la radiación térmica hay ciertas definiciones importantes que se deben tratar. Se define la fracción de irradiación (flujo de radiación que incide sobre una superficie) absorbida por la superficie como absortividad . La fracción reflejada por la superficie como reflectividad . Y, la fracción transmitida como transmisividad  [4].[pic 6][pic 7][pic 8]

La radiación que incide sobre un cuerpo se puede expresar en función de estos últimos tres términos de la siguiente manera: [2]

                 Ec. 3[pic 9]

Se tiene varias leyes y ecuaciones que rigen el fenómeno de radiación térmica, entre ellas están:

• Ley de Kirchoff:  En el caso que dos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico con los alrededores, esta ley denota que el cuerpo negro tendrá el máximo poder emisor alcanzable a cualquier temperatura, como ya se mencionó anteriormente. Esto se puede expresar como: (ver ec. 3) [2]

[pic 10]

Ec. 4

• Ley del cuadrado inverso de la distancia [2]:

[pic 11]

Donde q es la radiación incidente, r la distancia entre superficies e I la intensidad de la fuente.

Ec. 5

• Ley del coseno de Lambert: expresa que la máxima intensidad de la irradiación sobre la superficie, se obtiene cuando se incide perpendicularmente sobre ésta [2].

[pic 12]

Donde V es el voltaje, K una constante y el ángulo entre la fuente de radiación y la superficie.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

• Una vía montada en un banco horizontal.
• Una fuente de radiación de calor.
• Una fuente de luz.
• Una escala reversible.
• Una consola de instrumentación controlada por un regulador de estado sólido y constituida por:

• Un selector de termocuplas.
• Dos conectores de termocuplas.
• Un conector para las fuentes de calor y luz.
• Un conector para el radiómetro.
• Un regulador de potencia.
• Un termómetro digital.

• Un transformador.
• Soporte de placas.
• Placas metálicas de anodizado de plata y negro mate.
• Un detector de radiación térmica.
• Un medidor de luz con dos escalas de medición en LUX.

MÉTODO EXPERIMENTAL

Experiencia 1:

En primera instancia se encendió la consola y se midió la temperatura de ambiente. Luego, se conectó la fuente de calor y el radiómetro a la consola, así como una de las dos placas a utilizar (negra y anodizada) y se insertó en el soporte destinado para ello. La placa se ubica lo más cerca posible de la fuente de calor y se ubicó el radiómetro muy próximo a la placa. Se ajustó el 50% de la capacidad de la fuente de calor y se esperó hasta llegar al estado estacionario. Ocurrido lo anterior, se registró el valor de temperatura superficial en la placa y la potencia emisiva dada por el radiómetro. Se repitió el procedimiento, pero con la otra placa y posteriormente se aumentó la fuente de calor a 75% y 100% de su capacidad.

Experiencia 2:

Se colocó la fuente de calor al 100% y se deslizó el radiómetro por el carril, donde se aflojo el tornillo inferior y se desplazó hasta obtener una lectura razonable en el panel de la consola. Luego, esta distancia se establece como un punto de referencia y se espera que se estabilice la lectura. Se reportó la distancia y la potencia emisiva determinada por el radiómetro esta primera vez, y se fue alejando el mismo de la fuente de calor cada 10 cm. Se anotaron los datos correspondientes a cada distancia.

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