Aplicaciones de la radiación térmica

Equipo 4

García Camacho Luis David

Gallardo Corona Raúl Ulises

Banda Hernández Jonathan Uriel

Aplicaciones de la radiación térmica

Como es bien sabido, toda la materia por encima de los 0 K emite calor por radiación, debido al movimiento térmico de las cargas contenidas en su interior. En este artículo trataremos de explicar la teoría básica subyacente a este fenómeno y el papel que juega para el mundo de la tecnología y la industria.

El punto de partida para una explicación básica de la radiación térmica es la ley de Planck y el electromagnetismo en la materia. Por tanto, es necesario haber cursado por lo menos un curso de Física Moderna y uno o dos de Electromagnetismo para comprender verdaderamente lo aquí expuesto.

Ejemplo:

Dejas tu coche aparcado en la playa un día no muy caluroso, al volver te apoyas sin querer en el capó del coche y el grito se oye a varios kilómetros de distancia. En este caso aunque el sol se encuentra a bastante distancia de nuestro coche, su temperatura absoluta es tan alta que hace que la transferencia por radiación sea muy importante. Aquí no tiene apenas  influencia que el aire ambiente esté caliente ya que si hubiéramos dejado el coche a la sombra esto no ocurriría.

La transferencia de calor entre dos cuerpos no es lineal con su diferencia de temperatura, sino más bien con la diferencia entre las cuartas potencias de sus temperaturas absolutas. Por lo anterior, el intercambio de calor por radiación se intensifica a altos niveles de temperatura (hornos y cámaras de combustión) Sin embargo, en condiciones adecuadas la radiación puede ser el mecanismo dominante aún a bajas temperaturas (por ej., enfriamiento de cuerpos en la superficie de la tierra mediante radiación nocturna hacia el espacio) No se necesita un medio material entre dos cuerpos para que intercambien radiación. En tanto, la convección y conducción dependen de un soporte material. La propiedad anterior permite transferir calor desde gases de combustión de alta temperatura hacia tubos de evaporación, un proceso que de realizarse por contacto directo de los gases con los tubos provocaría la fusión de estos. En ambientes habitables la incomodidad térmica generalmente se debe a la radiación del cuerpo humano hacia las paredes frías del recinto. Pero una radiación solar puede hacer confortable la permanencia en exteriores aún con una baja temperatura del aire. -El mismo efecto anterior es responsable de los errores en la medida de temperaturas de gases. Una aplicación importante es la utilización práctica de la energía solar, transferida hacia la tierra en el vacío y luego a través de las capas atmosféricas. Un colector convierte la radiación en energía térmica o fotovoltaica. Si el colector es plano, en aplicaciones térmicas, las temperaturas a obtener en un fluido de trabajo están limitadas a 60-70º C a lo más. Temperaturas mayores se pueden obtener con colectores concentradores.

Calentamiento de Alimentos por Microondas.-En la cocción ordinaria, el calor transfiere al alimento por conducción, convección. Por otro lado, cuando los alimentos se calientan utilizando microondas, la energía se enlaza directamente al alimento en forma de radiaciones electromagnéticas a frecuencias de microondas, de modo que la absorción de energía y el calentamiento consecuente se llevan a cabo de todos los puntos del alimento. Como resultado, la conducción de calor por todo el alimento no constituye el modo principal de calentamiento, de manera que este es muy rápido.

Hornos de Procesos: Un horno de proceso es un equipo constituido por un cerramiento metálico revestido interiormente por una pared refractaria aislante, dentro del cual se dispone un serpentín tubular por el que circula un producto que se desea calentar y/o evaporar a través del calor liberado por un combustible sólido, líquido o gaseoso que se inyecta convenientemente al horno. En el quemador se produce la reacción de combustión que genera una masa de gases calientes que son los productos de combustión. Estos gases entregan calor por radiación al serpentín y salen por la chimenea. Por otro lado, del calor liberado en la combustión, una parte es aprovechada en el calentamiento del producto y una parte se pierde en la chimenea y las paredes.

Calentamiento y evaporación en el proceso de secado de los granos y otros productos agrícolas: Mediante el uso de un colector solar, se puede aprovechar la radiación solar. Este elemento transforma la radiación solar en energía para calentar el aire. El funcionamiento básico del colector solar, que se emplea para generar pequeños aumentos de la temperatura del aire, consiste en recibir la radiación solar que incide en la superficie externa del colector, hecha de material transparente, generalmente vidrio o plástico. La radiación solar que atraviesa la película transparente del colector incide en una superficie, que se denomina absorbedora, y aumenta su temperatura. El flujo de aire calentado por contacto con esa superficie se puede aprovechar en el secado de productos agrícolas.

Caracterización de los materiales reales

Es evidente que los sistemas reales no son cuerpos negros. Si todos los cuerpos ab-sorbieran toda la radiación que les llega, nunca podríamos ver nada que no emitiera luz propia. Sin embargo, es también evidente que hay cuerpos que absorben mucha más luz que otros. Es necesario, por tanto, establecer criterios para relacionar las propiedades radiactivas de los materiales reales con las de un cuerpo negro (único sistema para el cual existe solución exacta), que además retejen la enorme diversidad de comportamientos que presentan.

Definimos la absortividad como el cociente de la energía (o potencia) absorbida por el material sobre la energía total incidente en el:

[pic 1]

La reflexión y/o absorción de luz no es un buen indicador, ya que la luz visible solo es una pequeño sima parte del espectro electromagnético. Un cuerpo puede ser negro en el visible y sin embargo buen reflector en el infrarrojo.

Definimos así mismo la radioactividad como el cociente de la potencia reflejada sobre la potencia total incidente:

Por conservación de la energía, eabs + eref debe ser igual a einc. Por tanto,

En general, las cantidades y serán funciones de y T .

Una tercera cantidad, la emisividad, se de ne como el cociente entre la potencia emitida por un cuerpo real y la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura en la misma longitud de onda:

La relación entre esta magnitud y las anteriores es muy simple: para un cuerpo en equilibrio térmico, la emisividad y la absortividad deben ser iguales, a n de que el balance de energía intercambiada con el exterior sea 0.

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