Radiacion

SUMARIO

INTRODUCCIÓN

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Todo cuerpo emite calor en forma de radiación desde su superficie, proporcional a la temperatura de ésta, a este fenómeno se le conoce como radiación térmica y está representada por la Ley de Stefan Boltzmann (Cengel, 2003).

(Q/A) ̇= σ.ε.〖〖(T〗_s〗^4- T_amb^4) (1)

(Q/A) ̇ : Calor por unidad de área [W/m2].

σ: constante de Boltzmann [5,67 x 10-8 W/m2 K4].

ε: Emisividad [adimensional].

Ts: Temperatura de la superficie d la placa [K].

Tamb: Temperatura del ambiente [ 294 K].

El principio de conservación de energía requiere que la suma de las radiaciones transmitida, reflejada y absorbida sea igual a la radiación incidente a una longitud de onda λ específica (Cengel, 2003); es decir:

τ + ρ + α = 1 (2)

τ: transmisividad [adimensional].

ρ: reflectividad [adimensional].

α: absortividad [adimensional].

Figura 1: Radiación incidente en una placa (Cengel, 2003).

El coeficiente de emisividad (ε), es un número adimensional que relaciona la habilidad de un objeto real para irradiar energía térmica entre la habilidad de irradiar si éste fuera un cuerpo negro:

Los cuerpos, al incidir sobre ellos una radiación y dependiendo de sus características superficiales, absorben una parte de la radiación y reflejan el resto. El color que absorbe más luz y energía radiante que incide sobre él, es el color negro. Idealmente, un cuerpo que no absorbe nada de radiación es un espejo perfecto, y un cuerpo que absorbe toda la radiación es un cuerpo negro perfecto. En la realidad, los cuerpos que absorben muy poca radiación son superficies especulares (p.ej. aluminio pulido) y los que absorben mayor radiación son superficies de color negro mate Un cuerpo negro, por consiguiente, tiene un coeficiente ε = 1, mientras que en un objeto real, ε siempre se mantiene menor a 1(Cengel, 2003). Es por esto, que los metales usados dentro del interior de un horno (ollas y parrillas) son pintadas de color negro (Piñero et al, 2011).

Ley del coseno de Lambert. Establece que la máxima intensidad de la irradiación sobre una superficie se obtiene cuando el haz incide perpendicularmente sobre ésta. Si la incidencia no es perpendicular, por el fenómeno de reflexión la intensidad disminuye.

La ley de la inversa del cuadrado o ley cuadrática inversa refiere a algunos fenómenosfísicos cuya intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia al centro donde se originan,en el caso de la radiación térmica esta ley viene dada por:

q= I.cosθ/r2 (3)

Donde:

q= Potencia emisiva (W).

θ= Ángulo de incidencia.

I= Intensidad.

r= Distancia entre el radiómetro y la fuente (m).

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DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

El equipo utilizado en la práctica tiene las siguientes características:

Una vía montada en un banco horizontal (4) provista de:

Una fuente de radiación de calor en un extremo (2).

Una fuente de luz en el otro extremo (3).

Una escala reversible montada en el frente de la via (4) para medir distancias.

Una consola de instrumentación (5) controlada por un regulador de estado solido y constituida por los siguientes elementos:

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.

Una pantalla digital para mostrar la lectura del radiómetro.

Un transformador (1) situado debajo de la consola que provee un bajo voltaje para la fuente de calor.

Los siguientes accesorios:

Soporte (6) para las tres placas metálicas de los siguientes acabados

superficiales: pulida, anodizado de plata y negro mate, con pares térmicos acoplados.

Un detector de radiación térmica (7).

Un medidor de luz (8) con dos escalas de medición en LUX.

Figura 2: Montaje experimental de la práctica (Meléndez y Gutiérrez, 2011).

Donde:

1.- Transformador.

2.- Fuente de radiación de calor.

3.- Fuente de luz.

4.- Vía montada en el banco horizontal.

5.- Consola de instrumentación.

6.- Soporte para las placas.

7.- Detector de radiación térmica.

8.- Medidor de luz con escala en LUX.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para la determinación de la emisividad de las placas se realizaron los siguientes pasos:

1. Medir la temperatura del ambiente con ayuda de un termómetro digital

2. Encender la consola.

3. Conectar la fuente de calor a la consola.

4. Conectar el radiómetro a la consola.

5. Conectar una de las dos placas a la consola e insertar en el soporte dispuesto para ello.

6. Colocar la placa lo más cerca posible de la fuente de calor.

7. Colocar el radiómetro muy próximo a la placa.

8. Colocar la fuente de calor en el 50% de su capacidad.

9. Esperar a que se alcance el estado estacionario.

10. Registrar los valores de temperatura superficial en la placa y la potencia emisiva determinada por el radiómetro, alcanzados en el estado estacionario.

11. Repetir los pasos 5 a 10 para la otra placa.

12. Repetir los pasos 8 a 11 con la fuente de calor al 75% y al 100% de su capacidad.

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RESULTADOS EXPERIMENTALES

Luego de la realización del procedimiento experimental, se recolectaron los siguientes datos:

Determinación de la emisividad:

Tabla 1. Placa negra.

Potencia Q/A Temperatura

(W/m2) (K)

50% 62 ± 1 347 ± 1

75% 208 ± 1 391 ± 1

100% 618 ± 1 474 ±1

Tabla 2. Placa anodizada.

Potencia Q/A Temperatura

(W/m2) (K)

50% 62 ± 1 349 ± 1

75%

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