Redaccion Y Documentacion Militar

Carrera: Ingeniería Mecánica

Semestre: 7mo

Asignatura: Transferencia de calor

Unidad 5. Radiación

Considere un objeto caliente está suspendido en una cámara en la que se ha hecho el vacío y cuyas paredes se encuentran a la temperatura ambiente (Figura N° 1). Llegará un momento en que el objeto caliente se enfriará y alcanzará el equilibrio térmico con sus alrededores. Es decir, perderá calor hasta que su temperatura alcance las de las paredes de la cámara. La transferencia de calor entre el objeto y la cámara no pudo haber tenido lugar por conducción de calor entre el objeto y la cámara no pudo haber tenido lugar por conducción o convección, porque estos dos mecanismos no pueden desarrollarse en el vacío. Por lo tanto, la transferencia de calor debe haber ocurrido a través de otro mecanismo que comprenda la emisión de la energía interna del objeto. Este mecanismo se llama radiación.

Figura 1. Un objeto caliente en una cámara al vacío pierde calor sólo por radiación

La radiación difiere con respecto a los otros dos mecanismos de transferencia de calor en que no requiere la presencia de un medio material para llevarse a efecto. De hecho, la transferencia de energía por radiación es la más rápida (a la velocidad de la luz) y no sufre atenuación en el vacío. Asimismo, la transferencia por radiación ocurre en los sólidos así como en los líquidos y los gases.

El fundamento teórico de la radiación fue establecido en 1864 por el físico James Clerk Maxwell, quien postuló que las cargas aceleradas o las corrientes eléctricas cambiantes dan lugar a campos eléctricos y magnéticos. Estos campos que se mueven con rapidez se llaman ondas electromagnéticas o radiación electromagnética y representa la energía emitida por la materia como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. En 1887 Heinrich Hertz demostró en forma experimental su existencia. Las ondas electromagnéticas se caracterizan por su frecuencia v o su longitud de onda . Estas dos propiedades en un medio están relacionadas por:

λ=c/v

En donde c es la velocidad de propagación de una onda en ese medio. La velocidad de propagación en un medio está relacionada con la velocidad de la luz en el vacío por c = c0/n, en donde n es el índice de refracción de ese medio. El índice de refracción es en esencial igual a la unidad para el aire y la mayor parte de los gases, alrededor de 1,5 para el vidrio y más o menos 1,33 para el agua. La unidad de uso común para la longitud de onda es el micrometro (m) o micra, en donde 1 m = 10-6. A diferencia de la longitud de onda y de la velocidad de propagación, la frecuencia de una onda electromagnética sólo depende de la fuente y es independiente del medio a través del cual viaja. La frecuencia (el número de oscilaciones por segundo) de una onda electromagnética puede variar desde un millon de Hz hasta un cuatrillón de Hz o más, dependiendo de la fuente. La longitud de onda y la frecuencia de la radiación electromagnética son inversamente proporcionales.

Ha probado ser útil concebir la radiación electromagnética como la propagación de una colección de paquetes discretos de energía llamados fotones o cuantos, como propuso Max Planck en 1900, en conjunción con su teoría cuántica. En esta concepción, cada fotón de frecuencia v se considera que tiene una energía de

e=hv=hc/λ

En donde h = 6,6256 x 10-34 J.s es la constante de Planck. La energía de un fotón es inversamente proporcional a su longitud de onda. Por lo tanto, la radiación de longitud de onda más corta posee energías más grandes del fotón.

Radiación térmica

Aún cuando todas las ondas electromagnéticas tienen las mismas características generales, las ondas de distinta longitud difieren de manera significativa en su comportamiento. La radiación electromagnética que se encuentra en la práctica abarca una amplia gama de longitudes de onda, que varían desde menos de 10-10 m, para los rayos cósmicos, hasta de 1010 m, para las ondas de energía eléctrica. El espectro electromagnético también incluye los rayos gamma, los rayos X, la radiación ultravioleta, la luz visible, la radiación infrarroja, la radiación térmica, las microondas y las ondas de radio.

Los diferentes tipos de radiación electromagnética se producen a través de varios mecanismos. Por ejemplo, los rayos gamma son producidos por las reacciones nucleares, los rayos X por el bombardeo de metales con electrones de alta energía, las microondas por tipos especiales de tubos electrónicos, como los klistones y los magnetrones, y las ondas de radio por la excitación de algunos cristales o por el flujo de corriente alterna por conductores eléctricos.

Los rayos gamma y los rayos X de longitud de onda corta son principalmente de interés para los ingenieros nucleares, en tanto que las microondas y las ondas de radio de longitud de onda larga interesan a los ingenieros electricistas.

El tipo de radiación electromagnética que resulta pertinente para la transferencia de calor es la radiación térmica emitida como resultado de las transiciones energéticas de las moléculas, los átomos y los electrones de una sustancia. La temperatura es una medida de la intensidad de estas actividades en el nivel microscópico y la rapidez de la emisión de radiación térmica se incrementa al aumentar la temperatura. La radiación térmica es emitida en forma continua por toda la materia cuya temperatura está por arriba del cero absoluto. Es decir, todo lo que nos rodea, como las paredes, los muebles y nuestros amigos, constantemente emite (y absorbe) radiación.

La radiación térmica también se define como la parte del espectro electromagnético que se extiende desde alrededor de 0,1 hasta 100 m, dado que la emitida por los cuerpos debida a su temperatura cae por completo en este rango de de longitudes de onda. Por tanto, la radiación térmica incluye toda la radiación visible y la infrarroja (IR), así como parte de la radiación ultravioleta (UV).

Lo que llamamos luz es sencillamente la parte visible del espectro electromagnético que se encuentra entre 0,40 y 0,76 m. Desde el punto de vista de sus características, la luz no es diferente a las demás radiación electromagnética, excepto en que dispara la sensación de visión en el ojo humano. La luz o el espectro visible, consta de bandas angostas de color, desde el violeta (0,40 – 0,44m) hasta el rojo (0,63-0,76 m), como se muestra en la tabla N° 1.

Tabla N° 1. Rangos de longitudes de onda de los diferentes colores

Un cuerpo que emite alguna radiación en el rango visible recibe el nombre de fuente luminosa. Es obvio que el Sol es nuestra principal fuente luminosa. La radiación electromagnética emitida por el sol se conoce como radiación solar y casi toda ella cae en la banda de longitudes de onda de 0,3-3 m. Casi la mitad de la radiación solar es luz (es decir, cae en el rango visible). La restante es ultravioleta o infrarroja.

La radiación emitida por los cuerpos a la temperatura ambiente cae en la región infrarroja del espectro, la cual se extiende de 0,76 hasta 100 m. Los cuerpos empiezan a emitir radiación visible que puede notarse a temperaturas por encima de 800K. El filamento de tungsteno de un foco eléctrico debe calentarse a temperaturas por arriba de 2000K antes de que pueda emitir alguna cantidad significativa de radiación en el rango visible.

La radiación ultravioleta incluye el extremo de baja longitud de onda del espectro de radiación térmica y se encuentra entre las longitudes de onda de 0,01 y 0,40 m. Los rayos ultravioleta deben evitarse ya que pueden matar microorganismos y causan serios daños a los humanos y otros organismos vivientes. Alrededor de 12% de la radiación solar se encuentra en el intervalo ultravioleta y sería devastador si llegara a alcanzar la superficie de la Tierra. Por fortuna, la capa de ozono (O3) de la atmosfera actúa como una cubierta protectora y absorbe la mayor parte de esta radiación. Los rayos ultravioleta que permanecen en la luz solar todavía son suficientes como para causar serias quemaduras a los adoradores del Sol y la exposición prolongada a la luz solar directa es la causa principal del cáncer de piel, el cual puede ser mortal.

En los hornos de microondas se utiliza radiación electromagnética en la región de microondas del espectro generadas por tubos a propósito llamados magnetrones. Las microondas en el rango de 102-105 m resultan muy adecuadas para su uso en la cocción ya que son reflejadas por los metales, transmitidas por el vidrio y los plásticos y absorbidas por las moléculas de los alimentos (en especial las de agua). De este modo, la energía eléctrica convertida en radiación en un horno de microondas llega a convertirse en parte de la energía interna de los alimentos. La cocción rápida y eficiente en los hornos de microondas los ha convertido en uno de los aparatos domésticos esenciales en las cocinas modernas.

En los radanes y los teléfonos inalámbricos también se usa la radiación electromagnética en la región de microondas. La longitud de las ondas electromagnéticas usadas en las emisiones de radio y TV suele variar entre 1 y 1000 m, en la región de ondas de radio del espectro.

En los estudios de transferencia de calor es de interés la energía emitida por los cuerpos,

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