Transferencia de calor por radiación

Transferencia de calor por radiación

Una tubería de vapor sin aislar atraviesa una sala en la que el aire y las paredes están a 25 °C. El diámetro exterior de la tubería es de 80 mm, y su temperatura superficial y emisividad son de 180 °C y 0.85, respectivamente. Si el coeficiente de convección libre de la superficie al aire es de 6 W/m2K, ¿Cuál es la tasa de pérdida de calor de la superficie por unidad de longitud de la tubería?

• La tuber no está aislada, es decir, hay intercambio de calor
• La temperatura de la sperficie de la tubería: 180°C = 453.15 K
• Emisividad de la tubería: 0.85
• Temperatura de las paredes del cuarto y aire: 25 °C = 298.15 K
• Diámetro exteri de la tubería: 80 mm = 0.08 m
• Coeficiente convectivo dealor del aire: 6 W/m2K
• El sistema se encuentra en estadostacionario (equilibrio)
• Hay intercambio de calor por radiaciónntre la tubería y el aire y las paredes
• La emisividad y la absortividad para el material son iguales

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Principios Básicos

1. Emisión de Radiación: Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética en función de su temperatura. Esta radiación se denomina radiación térmica. La cantidad de energía radiada por un cuerpo se describe por la Ley de Stefan-Boltzmann: E=σT4E = \sigma T^4E=σT4 donde EEE es la energía emitida por unidad de área, σ\sigmaσ es la constante de Stefan-Boltzmann (5.67×10−8 W/m2K45.67 \times 10^{-8} \, \text{W/m}^2 \text{K}^45.67×10−8W/m2K4), y TTT es la temperatura del cuerpo en kelvins.
2. Espectro de Emisión: La radiación térmica abarca un rango de longitudes de onda. La distribución de la energía emitida en función de la longitud de onda depende de la temperatura del cuerpo y se describe por la Ley de Planck. A temperaturas más altas, la radiación se desplaza hacia longitudes de onda más cortas.
3. Absorción de Radiación: Cuando la radiación incide sobre un cuerpo, puede ser absorbida, reflejada o transmitida. La cantidad de energía absorbida depende de las propiedades del material, como su absorptividad (α\alphaα). La Ley de Kirchhoff establece que, en equilibrio térmico, la emisividad (ε\varepsilonε) de un cuerpo es igual a su absorptividad para una determinada longitud de onda.

Ejemplos y Aplicaciones

• Sol y Tierra: El sol transfiere energía a la Tierra principalmente por radiación. A través del vacío del espacio, las ondas electromagnéticas (principalmente en forma de luz visible e infrarroja) viajan desde el sol hasta la Tierra, calentándola.
• Superficies calientes: Un radiador o un horno transfieren calor a su entorno por radiación. Aunque la convección y la conducción también juegan un papel, una parte significativa del calor se emite como radiación infrarroja.
• Aplicaciones industriales: La radiación térmica se utiliza en procesos industriales, como en hornos de alta temperatura, donde se requiere calentamiento sin contacto directo.

Factores que Afectan la Radiación

• Temperatura: La cantidad de radiación emitida aumenta con la cuarta potencia de la temperatura del cuerpo emisor.
• Emisividad: La capacidad de un material para emitir radiación. Materiales con alta emisividad (como superficies negras) emiten más radiación que aquellos con baja emisividad (como superficies reflectantes).
• Área y Orientación: El área de la superficie y su orientación con respecto a otras superficies también afectan la cantidad de radiación transferida.

Conclusión

La transferencia de calor por radiación es un mecanismo fundamental en muchos procesos naturales e industriales. Comprender los principios de la radiación térmica permite diseñar sistemas eficientes de transferencia de calor y mejorar el control de procesos térmicos.

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