La radiación térmica es la radiación electromagnética emitida por el movimiento térmico de las partículas de la materia . La radiación térmica se transmite como una onda electromagnética a través de la materia y el vacío. Cuando la materia absorbe la radiación térmica, su temperatura tenderá a aumentar. Toda materia con una temperatura mayor que el cero absoluto emite radiación térmica. La emisión de energía surge de una combinación de oscilaciones electrónicas, moleculares y reticulares en un material. [1] La energía cinética se convierte en electromagnetismo debido a la aceleración de carga o la oscilación dipolar . A temperatura ambiente , la mayor parte de la emisión está en el espectro infrarrojo (IR). [2] : 73–86 La radiación térmica es uno de los mecanismos fundamentales de la transferencia de calor , junto con la conducción y la convección .
El método principal por el cual el Sol transfiere calor a la Tierra es la radiación térmica. Esta energía es parcialmente absorbida y dispersada en la atmósfera , siendo este último proceso la razón por la cual el cielo es visiblemente azul. [3] Gran parte de la radiación del Sol se transmite a través de la atmósfera hacia la superficie, donde es absorbida o reflejada.
La radiación térmica se puede utilizar para detectar objetos o fenómenos que normalmente son invisibles para el ojo humano. Las cámaras termográficas crean una imagen detectando la radiación infrarroja. Estas imágenes pueden representar el gradiente de temperatura de una escena y se utilizan habitualmente para localizar objetos a una temperatura más alta que su entorno. En un entorno oscuro donde la luz visible es baja, las imágenes infrarrojas se pueden utilizar para localizar animales o personas debido a su temperatura corporal. La radiación de fondo cósmico de microondas es otro ejemplo de radiación térmica.
La radiación de cuerpo negro es un concepto utilizado para analizar la radiación térmica en sistemas idealizados. Este modelo se aplica si un objeto de radiación cumple con las características físicas de un cuerpo negro en equilibrio termodinámico . [4] : 278 La ley de Planck describe el espectro de la radiación de cuerpo negro y relaciona el flujo de calor radiativo de un cuerpo con su temperatura. La ley de desplazamiento de Wien determina la frecuencia más probable de la radiación emitida, y la ley de Stefan-Boltzmann proporciona la intensidad radiante. [4] : 280 Cuando la radiación de cuerpo negro no es una aproximación precisa, la emisión y la absorción se pueden modelar utilizando electrodinámica cuántica (EDQ). [1]
La radiación térmica es la emisión de ondas electromagnéticas de toda la materia que tiene una temperatura mayor que el cero absoluto . [5] [2] La radiación térmica refleja la conversión de energía térmica en energía electromagnética . La energía térmica es la energía cinética de los movimientos aleatorios de los átomos y moléculas en la materia. Está presente en toda la materia de temperatura distinta de cero. Estos átomos y moléculas están compuestos de partículas cargadas, es decir, protones y electrones . Las interacciones cinéticas entre las partículas de materia dan como resultado la aceleración de la carga y la oscilación dipolar . Esto da como resultado la generación electrodinámica de campos eléctricos y magnéticos acoplados, lo que resulta en la emisión de fotones , que irradian energía lejos del cuerpo. La radiación electromagnética, incluida la luz visible, se propagará indefinidamente en el vacío .
Las características de la radiación térmica dependen de varias propiedades de la superficie de la que emana, incluyendo su temperatura y su emisividad espectral , como se expresa mediante la ley de Kirchhoff . [5] La radiación no es monocromática, es decir, no consta de una sola frecuencia, sino que comprende un espectro continuo de energías de fotones, su espectro característico. Si el cuerpo radiante y su superficie están en equilibrio termodinámico y la superficie tiene una absortividad perfecta en todas las longitudes de onda, se caracteriza como un cuerpo negro . Un cuerpo negro también es un emisor perfecto. La radiación de tales emisores perfectos se llama radiación de cuerpo negro . La relación entre la emisión de cualquier cuerpo y la de un cuerpo negro es la emisividad del cuerpo , por lo que un cuerpo negro tiene una emisividad de uno.
La absortividad, reflectividad y emisividad de todos los cuerpos dependen de la longitud de onda de la radiación. Debido a la reciprocidad , la absortividad y la emisividad para cualquier longitud de onda en particular son iguales en el equilibrio: un buen absorbente es necesariamente un buen emisor y un absorbente deficiente es un emisor deficiente. La temperatura determina la distribución de la longitud de onda de la radiación electromagnética.
La distribución de potencia que emite un cuerpo negro con frecuencia variable se describe mediante la ley de Planck . A cualquier temperatura dada, hay una frecuencia f max en la que la potencia emitida es máxima. La ley de desplazamiento de Wien, y el hecho de que la frecuencia sea inversamente proporcional a la longitud de onda, indica que la frecuencia pico f max es proporcional a la temperatura absoluta T del cuerpo negro. La fotosfera del sol, a una temperatura de aproximadamente 6000 K, emite radiación principalmente en la porción (visible para los humanos) del espectro electromagnético. La atmósfera de la Tierra es parcialmente transparente a la luz visible, y la luz que llega a la superficie es absorbida o reflejada. La superficie de la Tierra emite la radiación absorbida, aproximándose al comportamiento de un cuerpo negro a 300 K con pico espectral en f max . A estas frecuencias más bajas, la atmósfera es en gran parte opaca y la radiación de la superficie de la Tierra es absorbida o dispersada por la atmósfera. Aunque aproximadamente el 10% de esta radiación escapa al espacio, la mayor parte es absorbida y luego reemitida por los gases atmosféricos. Es esta selectividad espectral de la atmósfera la responsable del efecto invernadero planetario , contribuyendo al calentamiento global y al cambio climático en general (pero también contribuyendo críticamente a la estabilidad climática cuando la composición y las propiedades de la atmósfera no están cambiando).
Se sabe que los espejos para quemar datan de alrededor del año 700 a. C. Una de las primeras menciones precisas de los espejos para quemar aparece en la comedia de Aristófanes , Las nubes , escrita en el año 423 a. C. [6] Según la anécdota de los rayos de calor de Arquímedes , se supone que Arquímedes desarrolló espejos para concentrar los rayos de calor con el fin de quemar los barcos romanos atacantes durante el asedio de Siracusa ( c. 213-212 a. C.), pero no se han confirmado fuentes de la época. [6] La catóptrica es un libro atribuido a Euclides sobre cómo enfocar la luz para producir calor, pero el libro podría haber sido escrito en el año 300 d. C. [6]
Durante el mismo período, Santorio Santorio inventó uno de los primeros termoscopios . En 1612 publicó sus resultados sobre los efectos del calentamiento del Sol y sus intentos de medir el calor de la Luna. [6]
A principios de 1589, Giambattista della Porta informó sobre el calor que sentía en su rostro, emitido por una vela a distancia y facilitado por un espejo metálico cóncavo. También informó sobre el enfriamiento que sentía al ser sometido a un bloque de hielo sólido. [6] El experimento de Della Porta se replicaría muchas veces con una precisión cada vez mayor. Fue replicado por los astrónomos Giovanni Antonio Magini y Christopher Heydon en 1603, y proporcionó instrucciones para Rodolfo II, emperador del Sacro Imperio Romano Germánico, quien lo realizó en 1611. En 1660, el experimento de Della Porta fue actualizado por la Accademia del Cimento utilizando un termómetro inventado por Fernando II, Gran Duque de Toscana . [6]
En 1761, Benjamin Franklin escribió una carta en la que describía sus experimentos sobre la relación entre el color y la absorción de calor. [7] Descubrió que las prendas de colores más oscuros se calentaban más cuando se exponían a la luz del sol que las prendas de colores más claros. Uno de los experimentos que realizó consistió en colocar cuadrados de tela de distintos colores en la nieve en un día soleado. Esperó un tiempo y luego midió que los trozos negros se hundían más en la nieve de todos los colores, lo que indicaba que eran los que se calentaban más y derretían más nieve.
Antoine Lavoisier consideraba que la radiación de calor se relacionaba con la condición de la superficie de un cuerpo físico más que con el material del que estaba compuesto. [8] Lavoisier describió un radiador pobre como una sustancia con una superficie pulida o lisa, ya que poseía sus moléculas dispuestas en un plano estrechamente unidas entre sí, creando así una capa superficial de fluido calórico que aislaba la liberación del resto en su interior. [8] Describió un radiador grande como una sustancia con una superficie rugosa, ya que solo una pequeña cantidad de moléculas retenían el calor dentro de un plano determinado, lo que permitía un mayor escape desde el interior. [8] El conde Rumford citaría más tarde esta explicación del movimiento calórico como insuficiente para explicar la radiación del frío, convirtiéndose en un punto de discordia para la teoría en su conjunto. [8]
En sus primeras memorias, Augustin-Jean Fresnel respondió a una opinión que extrajo de una traducción francesa de la Óptica de Isaac Newton . Dice que Newton imaginó partículas de luz atravesando el espacio sin que el medio calórico que lo llenase lo impidiera, y refuta esta opinión (que nunca fue sostenida por Newton) diciendo que un cuerpo bajo iluminación aumentaría indefinidamente su calor. [9]
En el famoso experimento de Marc-Auguste Pictet de 1790 , se informó que un termómetro detectaba una temperatura más baja cuando se utilizaba un conjunto de espejos para enfocar "rayos frigoríficos" de un objeto frío. [10]
En 1791, Pierre Prevost , un colega de Pictet, introdujo el concepto de equilibrio radiativo , según el cual todos los objetos irradian y absorben calor. [11] Cuando un objeto es más frío que su entorno, absorbe más calor del que emite, lo que hace que su temperatura aumente hasta alcanzar el equilibrio. Incluso en el equilibrio, continúa irradiando calor, equilibrando la absorción y la emisión. [11]
El descubrimiento de la radiación infrarroja se atribuye al astrónomo William Herschel . Herschel publicó sus resultados en 1800 ante la Royal Society de Londres . Herschel utilizó un prisma para refractar la luz del sol y detectó los rayos caloríficos, más allá de la parte roja del espectro, como un aumento de la temperatura registrada en un termómetro en esa región. [12] [13]
En primer lugar, la teoría anterior, que se originó a partir del concepto de un medio hipotético denominado éter , supuestamente llena todos los espacios evacuados o no evacuados. La transmisión de luz o de calor radiante se permite mediante la propagación de ondas electromagnéticas en el éter. [14] Las ondas de radiodifusión y televisión son tipos de ondas electromagnéticas con longitudes de onda específicas . [15] Todas las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad; por lo tanto, las longitudes de onda más cortas se asocian con frecuencias altas. Dado que cada cuerpo o fluido está sumergido en el éter, debido a la vibración de las moléculas, cualquier cuerpo o fluido puede potencialmente iniciar una onda electromagnética. Todos los cuerpos generan y reciben ondas electromagnéticas a expensas de su energía almacenada. [15]
En 1860, Gustav Kirchhoff publicó una descripción matemática del equilibrio térmico (es decir, la ley de Kirchhoff de radiación térmica ). [16] : 275–301 En 1884, Josef Stefan dedujo el poder emisivo de un cuerpo negro perfecto utilizando las mediciones experimentales de John Tyndall , y Ludwig Boltzmann lo derivó de los principios estadísticos fundamentales. [17] Esta relación se conoce como ley de Stefan-Boltzmann .
La teoría microscópica de la radiación es mejor conocida como la teoría cuántica y fue propuesta por primera vez por Max Planck en 1900. [14] Según esta teoría, la energía emitida por un radiador no es continua sino que está en forma de cuantos. Planck notó que la energía era emitida en cuantos de frecuencia de vibración de manera similar a la teoría ondulatoria. [18] La energía E de una onda electromagnética en el vacío se encuentra mediante la expresión E = hf , donde h es la constante de Planck y f es su frecuencia.
Los cuerpos a temperaturas más altas emiten radiación a frecuencias más altas con una energía cada vez mayor por quantum. Mientras que la propagación de ondas electromagnéticas de todas las longitudes de onda se suele denominar "radiación", la radiación térmica suele limitarse a las regiones visible e infrarroja. Para fines de ingeniería, se puede afirmar que la radiación térmica es una forma de radiación electromagnética que varía según la naturaleza de una superficie y su temperatura. [14]
Las ondas de radiación pueden viajar en patrones inusuales en comparación con el flujo de calor por conducción . La radiación permite que las ondas viajen desde un cuerpo calentado a través de un medio frío no absorbente o parcialmente absorbente y lleguen nuevamente a un cuerpo más cálido. [14] Un ejemplo es el caso de las ondas de radiación que viajan desde el Sol hasta la Tierra.
La radiación de calor se designa generalmente con la palabra emisión . [3] : 4 Con frecuencia se dice que las superficies "emiten" radiación, pero esto es puramente una simplificación. Según la conservación de la energía, la emisión siempre se produce a expensas de otras formas de energía (eléctrica, química, etc.). Por lo tanto, solo las partículas materiales pueden emitir calor, no los volúmenes geométricos o las superficies. En realidad, la radiación proviene de las partículas dentro de un cuerpo y pasa a través de sus superficies.
La propagación de la radiación en un medio que se supone homogéneo, isótropo y en reposo tiene lugar en línea recta y tiene la misma velocidad en todas las direcciones. [3] : 7–8 A menos que se propague a través del vacío, la radiación térmica decae con el tiempo a medida que la energía se dispersa.
La dispersión se produce debido a la presencia de discontinuidades en cada medio que surgen de su estructura atómica. Un ejemplo de dispersión es cuando la radiación térmica del sol se dispersa después de entrar en la atmósfera terrestre. En un día claro al mediodía, solo alrededor de dos tercios de esta radiación alcanzan la superficie. El resto es interceptado por partículas en el aire y se transforma en calor en el proceso. La dispersión es notablemente mayor para los rayos de longitud de onda más corta; de ahí el color azul de la luz del cielo.
Cuando un rayo de calor llega a un cuerpo puede interactuar de tres maneras diferentes:
La absorción y la reflexión se modelan típicamente como fenómenos superficiales que ocurren dentro de una fracción de micrómetro de la superficie. [19] : 801 Por ejemplo, una pieza de acero muy pulida será muy reflectante, independientemente del material debajo de la superficie. La transmisión, por otro lado, es un fenómeno volumétrico que depende de las propiedades de todo el espesor del cuerpo. Una ventana de vidrio, por ejemplo, debe ser translúcida en todo su espesor para que la radiación pueda atravesarla.
El término absorción se utiliza para describir el cambio de calor en otras formas de energía cuando entra en contacto con una partícula o un cuerpo. [3] : 11 Solo las partículas materiales pueden absorber rayos de calor, no los elementos de las superficies. Para una frecuencia de radiación dada, todos los medios tienen un coeficiente de absorción , que representa cuánto calor se absorberá por unidad de distancia a través de un medio.
La tasa de radiación electromagnética emitida a una frecuencia dada es proporcional a la cantidad de absorción que experimentaría por la fuente, una propiedad conocida como reciprocidad . Por lo tanto, una superficie que absorbe más luz roja irradia térmicamente más luz roja. Este principio se aplica a todas las propiedades de la onda, incluida la longitud de onda (color), la dirección, la polarización e incluso la coherencia . Por lo tanto, es posible tener radiación térmica que sea polarizada, coherente y direccional; aunque las formas polarizadas y coherentes son bastante raras en la naturaleza lejos de las fuentes (en términos de longitud de onda).
La intensidad total de la radiación de un cuerpo negro aumenta como la cuarta potencia de la temperatura absoluta, como se expresa en la ley de Stefan-Boltzmann . Un horno de cocina, a una temperatura que es aproximadamente el doble de la temperatura ambiente en la escala de temperatura absoluta (600 K frente a 300 K) irradia 16 veces más energía por unidad de área. Un objeto a la temperatura del filamento de una bombilla incandescente (aproximadamente 3000 K, o 10 veces la temperatura ambiente) irradia 10 000 veces más energía por unidad de área.
En cuanto a las estadísticas de fotones , la luz térmica obedece a las estadísticas superpoissonianas .
La radiación térmica es uno de los tres mecanismos principales de transferencia de calor . Implica la emisión de un espectro de radiación electromagnética debido a la temperatura de un objeto. Otros mecanismos son la convección y la conducción .
La radiación térmica se diferencia de la conducción y la convección en que no requiere un medio y, de hecho, alcanza su máxima eficiencia en el vacío . La radiación térmica es un tipo de radiación electromagnética que a menudo se modela mediante la propagación de ondas. Estas ondas tienen las propiedades de onda estándar de frecuencia y longitud de onda , que están relacionadas por la ecuación donde es la velocidad de la luz en el medio. [19] : 769
La irradiación térmica es la tasa a la que la radiación incide sobre una superficie por unidad de área. [19] : 771 Se mide en vatios por metro cuadrado. La irradiación puede ser reflejada , absorbida o transmitida . Los componentes de la irradiación pueden entonces caracterizarse mediante la ecuación
donde, representa la absortividad , reflectividad y transmisividad . [19] : 772 Estos componentes son una función de la longitud de onda de la onda electromagnética así como de las propiedades materiales del medio.
La absorción espectral es igual a la emisividad ; esta relación se conoce como ley de Kirchhoff de la radiación térmica . Un objeto se denomina cuerpo negro si esto se cumple para todas las frecuencias y se aplica la siguiente fórmula:
Si los objetos parecen blancos (reflectivos en el espectro visual ), no son necesariamente igualmente reflectantes (y por lo tanto no emisivos) en el infrarrojo térmico; vea el diagrama de la izquierda. La mayoría de los radiadores domésticos están pintados de blanco, lo cual es sensato dado que no son lo suficientemente calientes como para irradiar una cantidad significativa de calor y no están diseñados como radiadores térmicos en absoluto; en cambio, son en realidad convectores , y pintarlos de negro mate haría poca diferencia en su eficacia. Las pinturas blancas a base de acrílico y uretano tienen una eficiencia de radiación de cuerpo negro del 93% a temperatura ambiente [21] (lo que significa que el término "cuerpo negro" no siempre corresponde al color percibido visualmente de un objeto). Estos materiales que no siguen la advertencia "color negro = alta emisividad/absorción" probablemente tendrán una dependencia funcional de emisividad/absorción espectral.
Sólo los sistemas verdaderamente grises (emisividad/absortividad equivalentes relativas y sin dependencia de la transmisividad direccional en todos los cuerpos de volumen de control considerados) pueden lograr estimaciones razonables del flujo de calor en estado estable a través de la ley de Stefan-Boltzmann. Encontrar esta situación "idealmente calculable" es casi imposible (aunque los procedimientos de ingeniería comunes renuncian a la dependencia de estas variables desconocidas y "suponen" que este es el caso). De manera optimista, estas aproximaciones "grises" se acercarán a las soluciones reales, ya que la mayoría de las divergencias con respecto a las soluciones de Stefan-Boltzmann son muy pequeñas (especialmente en la mayoría de los entornos controlados de laboratorio de temperatura y presión estándar ).
La reflectividad se desvía de las otras propiedades en que es de naturaleza bidireccional. En otras palabras, esta propiedad depende de la dirección de la incidencia de la radiación así como de la dirección de la reflexión. Por lo tanto, los rayos reflejados de un espectro de radiación que inciden sobre una superficie real en una dirección específica forman una forma irregular que no es fácilmente predecible. En la práctica, a menudo se supone que las superficies reflejan de manera perfectamente especular o difusa. En una reflexión especular , los ángulos de reflexión e incidencia son iguales. En la reflexión difusa , la radiación se refleja igualmente en todas las direcciones. La reflexión de superficies lisas y pulidas se puede suponer que es una reflexión especular, mientras que la reflexión de superficies rugosas se aproxima a la reflexión difusa. [14] En el análisis de radiación , una superficie se define como lisa si la altura de la rugosidad de la superficie es mucho menor en relación con la longitud de onda de la radiación incidente.
Un medio que no experimenta transmisión ( ) es opaco, en cuyo caso la absortividad y la reflectividad suman la unidad:
La radiación emitida desde una superficie puede propagarse en cualquier dirección desde la superficie. [19] : 773 La irradiación también puede incidir sobre una superficie desde cualquier dirección. Por lo tanto, la cantidad de irradiación sobre una superficie depende de la orientación relativa tanto del emisor como del receptor. El parámetro intensidad de la radiación se utiliza para cuantificar cuánta radiación llega de una superficie a otra.
La intensidad de la radiación se modela a menudo utilizando un sistema de coordenadas esféricas . [19] : 773
La potencia emisiva es la tasa a la que se emite radiación por unidad de área. [19] : 776 Es una medida del flujo de calor . La potencia emisiva total de una superficie se denota como y se puede determinar por, donde está en unidades de estereorradianes y es la intensidad total.
La potencia emisiva total también se puede encontrar integrando la potencia emisiva espectral en todas las longitudes de onda posibles. [19] : 776 Esto se calcula como, donde representa la longitud de onda.
La potencia emisora espectral también se puede determinar a partir de la intensidad espectral, de la siguiente manera:
donde tanto la potencia emisiva espectral como la intensidad emisiva son funciones de la longitud de onda. [19] : 776
Un "cuerpo negro" es un cuerpo que tiene la propiedad de permitir que todos los rayos incidentes entren sin reflexión superficial y no permitir que salgan nuevamente. [16]
Los cuerpos negros son superficies idealizadas que actúan como absorbentes y emisores perfectos. [19] : 782–783 Sirven como el estándar con el que se comparan las superficies reales al caracterizar la radiación térmica. Un cuerpo negro se define por tres características:
La intensidad espectral de un cuerpo negro fue determinada por primera vez por Max Planck. [3] Se obtiene mediante la ley de Planck por unidad de longitud de onda como: Esta fórmula se deduce matemáticamente del cálculo de la distribución espectral de energía en un campo electromagnético cuantizado que está en completo equilibrio térmico con el objeto radiante. La ley de Planck muestra que la energía radiativa aumenta con la temperatura y explica por qué el pico de un espectro de emisión se desplaza a longitudes de onda más cortas a temperaturas más altas. También se puede encontrar que la energía emitida en longitudes de onda más cortas aumenta más rápidamente con la temperatura en relación con las longitudes de onda más largas. [22]
La ecuación se deriva como una suma infinita de todas las frecuencias posibles en una región semiesférica. La energía, , de cada fotón se multiplica por el número de estados disponibles en esa frecuencia y la probabilidad de que cada uno de esos estados esté ocupado.
La distribución de Planck se puede utilizar para encontrar el poder emisivo espectral de un cuerpo negro, de la siguiente manera, [19] : 784–785
La potencia emisiva total de un cuerpo negro se calcula entonces como, La solución de la integral anterior produce una ecuación notablemente elegante para la potencia emisiva total de un cuerpo negro, la ley de Stefan-Boltzmann , que se da como, donde es la constante de Steffan-Boltzmann .
La longitud de onda para la cual la intensidad de emisión es más alta viene dada por la ley de desplazamiento de Wien como:
Definiciones de constantes utilizadas en las ecuaciones anteriores:
Definiciones de variables, con valores de ejemplo:
Para superficies que no son cuerpos negros, se debe considerar el factor de emisividad (generalmente dependiente de la frecuencia) . Este factor debe multiplicarse por la fórmula del espectro de radiación antes de la integración. Si se toma como una constante, la fórmula resultante para la potencia de salida se puede escribir de manera que contenga como factor:
Este tipo de modelo teórico, con una emisividad independiente de la frecuencia inferior a la de un cuerpo negro perfecto, se conoce a menudo como cuerpo gris . Para la emisividad dependiente de la frecuencia, la solución para la potencia integrada depende de la forma funcional de la dependencia, aunque en general no hay una expresión sencilla para ella. En términos prácticos, si la emisividad del cuerpo es aproximadamente constante alrededor de la longitud de onda de emisión máxima, el modelo de cuerpo gris tiende a funcionar bastante bien ya que el peso de la curva alrededor de la emisión máxima tiende a dominar la integral.
El cálculo de la transferencia de calor radiativo entre grupos de objetos, incluida una "cavidad" o "alrededor", requiere la solución de un conjunto de ecuaciones simultáneas utilizando el método de radiosidad . En estos cálculos, la configuración geométrica del problema se destila a un conjunto de números llamados factores de visualización , que dan la proporción de radiación que sale de una superficie dada y que incide en otra superficie específica. Estos cálculos son importantes en los campos de la energía solar térmica , el diseño de calderas y hornos y los gráficos por computadora con trazado de rayos .
La transferencia neta de calor radiativo de una superficie a otra es la radiación que sale de la primera superficie hacia la otra menos la que llega de la segunda superficie.
donde es el área de superficie, es el flujo de energía (la tasa de emisión por unidad de área de superficie) y es el factor de visión desde la superficie 1 a la superficie 2. Aplicando tanto la regla de reciprocidad para los factores de visión, , como la ley de Stefan-Boltzmann , , se obtiene:
Se pueden derivar fórmulas para la transferencia de calor radiativo para disposiciones físicas más particulares o más elaboradas, como entre placas paralelas, esferas concéntricas y las superficies internas de un cilindro. [18]
La radiación térmica es un factor importante en muchas aplicaciones de ingeniería, especialmente en aquellas que tratan con altas temperaturas.
La radiación electromagnética del sol tiene una longitud de onda máxima de aproximadamente 550 nm. [1]
La radiación térmica se puede concentrar en un punto diminuto mediante espejos reflectores, que aprovecha la energía solar de concentración . En lugar de espejos, también se pueden utilizar lentes de Fresnel para concentrar la energía radiante . En principio, se puede utilizar cualquier tipo de lente, pero solo el diseño de lente de Fresnel es práctico para lentes muy grandes. Cualquiera de los dos métodos se puede utilizar para vaporizar rápidamente el agua utilizando la luz solar. Por ejemplo, la luz solar reflejada por los espejos calienta la planta de energía solar PS10 y durante el día puede calentar el agua a 285 °C (558 K; 545 °F).
Una superficie selectiva se puede utilizar cuando se extrae energía del sol. Las superficies selectivas también se pueden utilizar en colectores solares. Podemos averiguar cuánta ayuda es un revestimiento de superficie selectiva observando la temperatura de equilibrio de una placa que se está calentando mediante radiación solar. Si la placa está recibiendo una irradiación solar de 1350 W/m2 ( el mínimo es 1325 W/m2 el 4 de julio y el máximo es 1418 W/m2 el 3 de enero) del sol, la temperatura de la placa donde la radiación que sale es igual a la radiación que recibe es 393 K (248 °F). Si la placa tiene una superficie selectiva con una emisividad de 0,9 y una longitud de onda de corte de 2,0 μm, la temperatura de equilibrio es de aproximadamente 1250 K (1790 °F). Los cálculos se realizaron ignorando la transferencia de calor convectivo y la irradiación solar absorbida en las nubes/atmósfera para simplificar, la teoría sigue siendo la misma para un problema real.
La bombilla incandescente tiene un espectro que se superpone a los espectros del cuerpo negro del Sol y de la Tierra. Algunos de los fotones emitidos por un filamento de bombilla de tungsteno a 3000 K están en el espectro visible. La mayor parte de la energía está asociada a fotones de longitudes de onda más largas; estos no ayudan a una persona a ver, pero aún así transfieren calor al medio ambiente, como se puede deducir empíricamente al observar una bombilla incandescente.
La radiación térmica desempeña un papel crucial en el confort humano, ya que influye en la sensación de temperatura percibida . Se han desarrollado diversas tecnologías para mejorar el confort térmico, incluidos los dispositivos personales de calefacción y refrigeración.
La temperatura radiante media es una métrica utilizada para cuantificar el intercambio de calor radiante entre un ser humano y su entorno.
Los calentadores radiantes personales son dispositivos que convierten la energía en radiación infrarroja y están diseñados para aumentar la temperatura percibida por el usuario. Por lo general, funcionan con gas o electricidad. En aplicaciones domésticas y comerciales, los calentadores radiantes a gas pueden producir un flujo de calor mayor que los calentadores eléctricos, que están limitados por la cantidad de corriente que puede pasar a través de un disyuntor.
La tecnología de refrigeración personalizada es un ejemplo de una aplicación en la que la selectividad espectral óptica puede resultar beneficiosa. La refrigeración personal convencional se consigue normalmente mediante conducción y convección del calor. Sin embargo, el cuerpo humano es un emisor muy eficiente de radiación infrarroja, lo que proporciona un mecanismo de refrigeración adicional. La mayoría de los tejidos convencionales son opacos a la radiación infrarroja y bloquean la emisión térmica del cuerpo al medio ambiente. Se han propuesto tejidos para aplicaciones de refrigeración personalizada que permiten que la transmisión infrarroja pase directamente a través de la ropa, al tiempo que son opacos a las longitudes de onda visibles, lo que permite que el usuario se mantenga más fresco.
Las ventanas de baja emisividad en las casas son una tecnología más complicada, ya que deben tener baja emisividad en longitudes de onda térmicas y, al mismo tiempo, permanecer transparentes a la luz visible. Para reducir la transferencia de calor desde una superficie, como una ventana de vidrio, se puede colocar una película reflectante transparente con un revestimiento de baja emisividad en el interior de la superficie. "Los revestimientos de baja emisividad (low-E) son capas de metal u óxido metálico microscópicamente delgadas, prácticamente invisibles, depositadas sobre la superficie de acristalamiento de una ventana o tragaluz principalmente para reducir el factor U al suprimir el flujo de calor radiativo". [23] Al agregar este revestimiento, limitamos la cantidad de radiación que sale de la ventana, lo que aumenta la cantidad de calor que se retiene en el interior de la ventana.
Las superficies metálicas brillantes tienen una baja emisividad tanto en las longitudes de onda visibles como en el infrarrojo lejano. Estas superficies se pueden utilizar para reducir la transferencia de calor en ambas direcciones; un ejemplo de ello es el aislamiento multicapa utilizado para aislar naves espaciales.
Dado que toda radiación electromagnética, incluida la radiación térmica, transmite impulso además de energía, la radiación térmica también induce fuerzas muy pequeñas sobre los objetos que irradian o absorben. Normalmente, estas fuerzas son insignificantes, pero deben tenerse en cuenta al considerar la navegación de la nave espacial. La anomalía Pioneer , en la que el movimiento de la nave se desvió ligeramente del esperado solo por la gravedad, se atribuyó finalmente a la radiación térmica asimétrica de la nave espacial. De manera similar, las órbitas de los asteroides se alteran ya que el asteroide absorbe la radiación solar en el lado que mira al Sol, pero luego reemite la energía en un ángulo diferente a medida que la rotación del asteroide lleva la superficie cálida fuera de la vista del Sol (el efecto YORP ).
Las nanoestructuras con propiedades de emisión térmica selectivas espectralmente ofrecen numerosas aplicaciones tecnológicas para la generación y la eficiencia energética, [24] por ejemplo, para el enfriamiento radiativo diurno de células fotovoltaicas y edificios. Estas aplicaciones requieren una alta emitancia en el rango de frecuencia correspondiente a la ventana de transparencia atmosférica en el rango de longitud de onda de 8 a 13 micrones. Un emisor selectivo que irradia fuertemente en este rango queda así expuesto al cielo despejado, lo que permite el uso del espacio exterior como un disipador de calor a muy baja temperatura. [25]
En un entorno práctico, a temperatura ambiente, los seres humanos pierden una cantidad considerable de energía debido a la radiación térmica infrarroja, además de la que se pierde por conducción al aire (ayudada por la convección concurrente u otro movimiento de aire como las corrientes de aire). La energía térmica perdida se recupera parcialmente absorbiendo la radiación térmica de las paredes u otros entornos. La piel humana tiene una emisividad muy cercana a 1,0. [26] Un ser humano, con una superficie de aproximadamente 2 m 2 y una temperatura de unos 307 K , irradia continuamente aproximadamente 1000 W. Si las personas están en interiores, rodeadas de superficies a 296 K, reciben de vuelta unos 900 W de la pared, el techo y otros entornos, lo que resulta en una pérdida neta de 100 W. Estas estimaciones dependen en gran medida de variables extrínsecas, como la ropa que se lleva puesta.
Los colores más claros, así como los blancos y las sustancias metálicas, absorben menos luz y, por lo tanto, se calientan menos. Sin embargo, el color influye poco en la transferencia de calor entre un objeto a temperaturas normales y su entorno. Esto se debe a que las longitudes de onda emitidas predominantes no están en el espectro visible, sino en el infrarrojo. Las emisividades en esas longitudes de onda no están relacionadas en gran medida con las emisividades visuales (colores visibles); en el infrarrojo lejano, la mayoría de los objetos tienen emisividades altas. Por lo tanto, excepto en la luz del sol, el color de la ropa influye poco en la calidez; de la misma manera, el color de la pintura de las casas influye poco en la calidez, excepto cuando la parte pintada está iluminada por el sol.
La radiación térmica es un fenómeno que puede quemar la piel y encender materiales inflamables. El tiempo que transcurre hasta que se produce un daño por exposición a la radiación térmica es una función de la velocidad de transmisión del calor. El flujo de calor radiativo y sus efectos se indican a continuación: [27]
A distancias de la escala de la longitud de onda de una onda electromagnética radiada o menores, la ley de Planck no es precisa. Para objetos tan pequeños y cercanos entre sí, el efecto túnel cuántico de las ondas electromagnéticas tiene un impacto significativo en la tasa de radiación. [1]
Para distancias más pequeñas desde la fuente o superficie térmica, se debe utilizar un marco más sofisticado que involucre la teoría electromagnética. Por ejemplo, si bien la radiación térmica de campo lejano a distancias de superficies de más de una longitud de onda generalmente no es coherente en ningún grado, la radiación térmica de campo cercano (es decir, la radiación a distancias de una fracción de varias longitudes de onda de radiación) puede exhibir un grado de coherencia tanto temporal como espacial. [28]
La ley de Planck de la radiación térmica ha sido cuestionada en las últimas décadas por predicciones y demostraciones exitosas de la transferencia de calor radiativo entre objetos separados por espacios a escala nanométrica que se desvían significativamente de las predicciones de la ley. Esta desviación es especialmente fuerte (hasta varios órdenes de magnitud) cuando el emisor y el absorbedor admiten modos de polaritón de superficie que pueden acoplarse a través del espacio que separa los objetos fríos y calientes. Sin embargo, para aprovechar la transferencia de calor radiativo de campo cercano mediada por polaritón de superficie, los dos objetos deben estar separados por espacios ultraestrechos del orden de micrones o incluso nanómetros. Esta limitación complica significativamente los diseños de dispositivos prácticos.
Otra forma de modificar el espectro de emisión térmica de un objeto es reduciendo la dimensionalidad del propio emisor. [24] Este enfoque se basa en el concepto de confinar electrones en pozos, cables y puntos cuánticos, y adapta la emisión térmica mediante la ingeniería de estados de fotones confinados en trampas de potencial bidimensionales y tridimensionales, incluidos pozos, cables y puntos. Este confinamiento espacial concentra los estados de fotones y mejora la emisión térmica a frecuencias seleccionadas. [29] Para lograr el nivel requerido de confinamiento de fotones, las dimensiones de los objetos radiantes deben ser del orden de o por debajo de la longitud de onda térmica predicha por la ley de Planck. Lo más importante es que el espectro de emisión de pozos, cables y puntos térmicos se desvía de las predicciones de la ley de Planck no solo en el campo cercano, sino también en el campo lejano, lo que amplía significativamente el rango de sus aplicaciones.
