Transferencia De Calor, Intercambiadores De Calor Y Evaporadores

Transferencia de calor por radiación

Defina los siguientes términos:

Radiación térmica

La expresión radiación se refiere a la emisión continua de energía de la superficie de todos los cuerpos. Los portadores de esta energía son las ondas electromagnéticas producidas por las vibraciones de las partículas cargadas que forman parte de los átomos y moléculas de la materia.

La radiación electromagnética que se produce a causa del movimiento térmico de los átomos y moléculas de la sustancia se denomina radiación térmica o de temperatura. La radiación térmica se origina a costa de la energía interna del cuerpo. Si el cuerpo no recibe energía del exterior se produce su enfriamiento. Si el cuerpo que radia recibe de otros cuerpos que lo rodean una cantidad de energía que es capaz de compensar exactamente la pérdida de energía por su radiación, se dice, que el proceso de radiación se realiza equilibradamente. El estado estacionario entre cuerpos que se encuentran aislados y que solo pueden intercambiar energía entre si por medio de la radiación y absorción se denomina radiación térmica de equilibrio. El cuerpo se pone en estado de equilibrio térmico y se caracteriza por una temperatura determinada.

El espectro de la radiación térmica es continuo y contiene longitudes de onda que pueden variar desde la longitud de onda de los rayos X hasta la longitud de onda que se capta por los radios comunes. La distribución de energía en el espectro de radiación térmica depende de la temperatura del cuerpo que la emite. A temperaturas bajas (alrededor de 300°C) predomina la radiación infrarroja de longitudes de onda entre 800 y 4000nm aproximadamente que es invisible para el ojo humano. A temperaturas altas (más de 800°C) en el espectro aparecen longitudes de onda más cortas (400 ÷ 800nm) que corresponden a la parte visible y ultravioleta del espectro. A la temperatura de 800°C el cuerpo emite suficiente energía y parece rojo. Y la de 3000°C la energía radiante contiene bastantes ondas de longitud de onda más corta y el cuerpo parece prácticamente blanco.

Para la radiación térmica se cumplen las mismas leyes que para la luz visible, es decir, la ley de la reflexión, refracción y de la propagación rectilínea en medios homogéneos.

Cuerpo negro

Un cuerpo negro hace referencia a un objeto opaco que emite radiación térmica. Un cuerpo negro perfecto es aquel que absorbe toda la luz incidente y no refleja nada. A temperatura ambiente, un objeto de este tipo debería ser perfectamente negro (de ahí procede el término cuerpo negro.). Sin embargo, si se calienta a una temperatura alta, un cuerpo negro comenzará a brillar produciendo radiación térmica. Todos los objetos emiten radiación térmica (siempre que su temperatura esté por encima del cero absoluto, o -273,15 grados Celsius), pero ningún objeto es en realidad un emisor perfecto, en realidad emiten o absorben mejor unas longitudes de onda de luz que otras. Estas pequeñas variaciones dificultan el estudio de la interacción de la luz, el calor y la materia utilizando objetos normales.

Afortunadamente, es posible construir un cuerpo negro prácticamente perfecto. Se construye una caja con algún material que sea conductor térmico, como el metal. La caja debe estar completamente cerrada por todas sus caras, de forma que el interior forme una cavidad que no reciba luz del exterior. Entonces se hace un pequeño agujero en algún punto de la caja. La luz que salga de ese agujero tendrá un parecido casi exacto a la luz de un cuerpo negro ideal, a la temperatura del aire del interior de la caja.

Emisividad

La emisividad es la proporción de radiación térmica emitida por una superficie u objeto debido a una diferencia de temperatura determinada. Es la transferencia de calor debida a la emisión de ondas electromagnéticas entre dos superficies y no necesita de un medio para llevarse a cabo. Todo cuerpo por encima del cero absoluto emite radiación. Es una propiedad de los materiales que informa sobre la capacidad o eficiencia de este para emitir radiación comparada con un cuerpo negro.

La capacidad de un objeto de emitir radiación infrarroja depende de diversos factores, incluyendo, tipo de material, condición de superficie y longitud de onda. De esta manera la emisividad se expresa como:

Emisividad = (Radiación emitida por un cuerpo negro a Temperatura (T))/(Radiacion emitida por un objeto a temperatura (T))

Coeficiente de absorción o adsortividad

Se denomina absortividad a la medida de la cantidad de luz absorbida por una solución, definida como la unidad de absorbancia por unidad de concentración por unidad de longitud de la trayectoria de luz. De acuerdo con la Ley de Beer-Lambert, la absortividad es proporcional a la conductividad del soluto absorbente.

Antiguamente recibía los nombres de índice de absorbencia, constante de absorción, coeficiente de absorción y coeficiente de extinción.

Poder emisor

La energía total emitida por un cuerpo es función de su temperatura.

Stefan en 1879 basándose en las ya mencionadas experiencias de Tyndall, determinó que es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura.

Boltzman en 1884 a partir de consideraciones termodinámicas aplicadas a la radiación del cuerpo negro llega en forma teórica a la misma conclusión, obteniendo la relación

que para cuerpos distintos del negro, se escribe

Donde e es un coeficiente específico de emisión cuyo valor varía desde 0 a 1.

La ec. nos da la energía irradiada por unidad de área y por unidad de tiempo cuando la temperatura absoluta del emisor es T.

El valor de la constante de proporcionalidad no pudo ser determinado analíticamente, obteniéndose por vía experimental:

Intensidad de radiación

La onda electromagnética transmite energía a lo largo de la dirección de propagación. La energía por unidad de tiempo que atraviesa la unidad de área perpendicular a la dirección de propagación viene dada por el vector de Poynting, cuyo valor numérico puede expresarse, en el Sistema Internacional de Unidades, como , expresada usualmente en watt/m2. El parámetro E indica el valor eficaz de la intensidad de campo eléctrico medido en volt/m: .

La energía que es capaz de transmitir la radiación al interaccionar con la sustancia depende notablemente de su frecuencia. La radiación electromagnética está compuesta por “paquetes” o “cuantos” independientes de energía llamados fotones, cada uno de ellos con una energía

donde h = 6,63•10-34 Joule-segundo (constante de Planck).

Reflectividad

En fotometría y en transferencia de calor, la reflectividad es la fracción de radiación incidente reflejada por una superficie. En general debe tratársela como una propiedad direccional, en función de la dirección reflejada, de la dirección incidente, y de la longitud de onda incidente. Sin embargo comúnmente es también promediada sobre el hemisferio reflejado para dar la reflectividad espectral hemisférica:

donde y son las intensidades espectrales reflejadas e incidentes (por longitud de onda) respectivamente.

Así se puede promediar con todas las longitudes de onda, dando las reflectividades totales hemisféricas,

La reflectividad es un concepto importante en los campos de la energía solar térmica, telecomunicación y radar.

Transmisividad

Es la proporción de radiación solar incidente sobre un material que es capaz de ser transmitida por ese material, es decir, es la proporción de radiación solar que es capaz de atravesar dicho material.

¿Cuál es el valor máximo de la absortividad y cuando se alcanza?

El valor máximo posible de la absortividad es la unidad, y se alcanza sólo cuando el cuerpo absorbe toda la radiación que incide sobre él y no refleja ni trasmite nada de radiación. Un cuerpo que absorbe toda la radiación incidente recibe el nombre de cuerpo negro.

¿Cuál es la relación entre la absortividad, reflectividad y transmisividad?

Absortividad: Determina la fracción de la irradiación absorbida por una superficie.

Reflectividad: Determina la fracción de irradiación reflejada por una superficie.

Transmisividad: Fracción de la radiación incidente que se transmite a través del medio.

Conservación de la energía:

¿En qué consiste la longitud de onda de la radiación?

La longitud de onda de una onda describe cuán larga es la onda. La distancia existente entre dos crestas o valles consecutivos es lo que llamamos longitud de onda. Las ondas de agua en el océano, las ondas de aire, y las ondas de radiación electromagnética tienen longitudes de ondas. La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia de la onda. Una longitud de onda larga corresponde a una frecuencia baja, mientras que una longitud de onda corta corresponde una frecuencia alta.

La longitud de ondas de las ondas de sonido, en el rango que los seres humanos pueden escuchar, oscilan entre menos de 2 cm (una pulgada), hasta aproximadamente 17 metros (56 pies). Las ondas de radiación electromagnética que forman la luz visible tienen longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetros (luz morada) y 700 (luz roja) nanómetros (10-9 metros).

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