La radiación térmica es radiación electromagnética generada por el movimiento térmico de partículas en la materia . La radiación térmica se genera cuando el calor del movimiento de cargas en el material (electrones y protones en formas comunes de materia) se convierte en radiación electromagnética. Toda materia con una temperatura superior al cero absoluto emite radiación térmica. A temperatura ambiente , la mayor parte de la emisión se produce en el espectro infrarrojo (IR). [1] : 73–86 El movimiento de partículas da como resultado una aceleración de carga u oscilación dipolar que produce radiación electromagnética.
La radiación infrarroja emitida por los animales (detectable con una cámara de infrarrojos ) y la radiación cósmica de fondo de microondas son ejemplos de radiación térmica.
Si un objeto de radiación cumple las características físicas de un cuerpo negro en equilibrio termodinámico , la radiación se llama radiación de cuerpo negro . [2] La ley de Planck describe el espectro de radiación del cuerpo negro, que depende únicamente de la temperatura del objeto. 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. [3]
La radiación térmica es también uno de los mecanismos fundamentales de transferencia de calor .
La radiación térmica es la emisión de ondas electromagnéticas de toda materia que tenga una temperatura superior al cero absoluto . [4] [1] La radiación térmica refleja la conversión de energía térmica en energía electromagnética . La energía térmica es la energía cinética de los movimientos aleatorios de átomos y moléculas en la materia. Está presente en toda materia de temperatura distinta de cero. Estos átomos y moléculas están compuestos de partículas cargadas, es decir, protones y electrones . Las interacciones cinéticas entre partículas de materia dan como resultado una aceleración de la carga y una oscilación dipolar . Esto da como resultado la generación electrodinámica de campos eléctricos y magnéticos acoplados, lo que da como resultado la emisión de fotones , que irradian energía fuera del cuerpo. La radiación electromagnética, incluida la luz visible, se propagará indefinidamente en el vacío .
Las características de la radiación térmica dependen de diversas propiedades de la superficie de la que emana, entre ellas su temperatura y su emisividad espectral , tal como lo expresa la ley de Kirchhoff . [4] La radiación no es monocromática, es decir, no se compone de una sola frecuencia, sino que comprende un espectro continuo de energías fotónicas, 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 emisores tan 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 particular son iguales en equilibrio: un buen absorbente es necesariamente un buen emisor y un mal absorbente es un mal emisor. La temperatura determina la distribución de longitudes de onda de la radiación electromagnética.
La distribución de energía que emite un cuerpo negro con frecuencia variable se describe mediante la ley de Planck . A cualquier temperatura dada, existe una frecuencia f máx en la que la potencia emitida es máxima. La ley de desplazamiento de Wien y el hecho de que la frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda, indica que la frecuencia máxima 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 (humana) 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, aproximando el comportamiento de un cuerpo negro a 300 K con un pico espectral en f máx . En estas frecuencias más bajas, la atmósfera es en gran medida opaca y la atmósfera absorbe o dispersa la radiación de la superficie de la Tierra. Aunque alrededor del 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 , que contribuye al calentamiento global y al cambio climático en general (pero también contribuye de manera crítica a la estabilidad climática cuando la composición y las propiedades de la atmósfera no están cambiando).
Se sabe que los vasos encendidos se remontan aproximadamente al año 700 a.C. Una de las primeras menciones precisas de vasos ardiendo aparece en la comedia de Aristófanes , Las nubes , escrita en el año 423 a.C. [5] Según la anécdota del rayo 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 hay fuentes de la época. han sido confirmados. [5] Catoptrics 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. [5]
Durante el mismo período, Santorio Santorio ideó uno de los primeros termoscopios . En 1612 publicó sus resultados sobre los efectos del calentamiento del Sol e intentos de medir el calor de la Luna. [5]
A principios de 1589, Giambattista della Porta informó sobre el calor que le molestaba la cara, emitido por una vela remota y facilitado por un espejo metálico cóncavo. También informó que la sensación de enfriamiento de un bloque de hielo sólido [5]. 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, la Accademia del Cimento actualizó el experimento della Porta utilizando un termómetro inventado por Fernando II. , Gran Duque de Toscana . [5]
Antoine Lavoisier consideraba que la radiación de calor se refería al estado de la superficie de un cuerpo físico más que al material del que estaba compuesto. [6] [7] Lavoisier describió un radiador pobre como una sustancia con una superficie pulida o lisa, ya que poseía sus moléculas situadas en un plano estrechamente unidas, creando así una capa superficial de fluido calórico que aislaba la liberación del resto del interior. [6] Describió un gran radiador como una sustancia con una superficie rugosa, ya que solo una pequeña cantidad de moléculas contenía calor dentro de un plano determinado, lo que permitía un mayor escape desde el interior. [6] 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. [6]
En sus primeras memorias, Augustin-Jean Fresnel respondió a una visión que extrajo de una traducción francesa de Óptica de Isaac Newton . Dice que Newton imaginó partículas de luz atravesando el espacio sin inhibiciones por el medio calórico que lo llenaba, y refuta esta opinión (que en realidad nunca sostuvo Newton) diciendo que un cuerpo bajo iluminación aumentaría indefinidamente en calor. [8]
En el famoso experimento de Marc-Auguste Pictet de 1790 , se informó que un termómetro detectaba una temperatura más baja cuando se utilizaba un juego de espejos para enfocar "rayos frigoríficos" de un objeto frío. [9]
En 1791, Pierre Prevost , colega de Pictet, introdujo el concepto de equilibrio radiativo , según el cual todos los objetos irradian y absorben calor. [10] Cuando un objeto está más frío que su entorno, absorbe más calor del que emite, lo que hace que su temperatura aumente hasta alcanzar el equilibrio. Incluso en equilibrio, continúa irradiando calor, equilibrando la absorción y la emisión. [10]
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. [11] [12]
Primero, la teoría anterior que se originó a partir del concepto de un medio hipotético denominado éter . Se supone que el éter 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. [13] Las ondas de radiodifusión y televisión son tipos de ondas electromagnéticas con longitudes de onda específicas . [14] 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 todo 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. [14]
La teoría microscópica de la radiación es mejor conocida como teoría cuántica y fue propuesta por primera vez por Max Planck en 1900. [13] Según esta teoría, la energía emitida por un radiador no es continua sino que se presenta en forma de cuantos. Planck observó que la energía se emitía en cuantos de frecuencia de vibración de manera similar a la teoría ondulatoria. [15] 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 creciente por cuanto. Si bien la propagación de ondas electromagnéticas de todas las longitudes de onda a menudo se denomina "radiación", la radiación térmica a menudo se limita 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. [13]
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 caliente. [13] Un ejemplo es el caso de las ondas de radiación que viajan desde el Sol a la Tierra.
La radiación de calor generalmente se denota con la palabra emisión . [16] : 4 Con frecuencia se describe que las superficies "emiten" radiación, sin embargo 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 tanto, sólo las partículas materiales pueden emitir calor, no los volúmenes o superficies geométricos. En realidad, la radiación proviene de las partículas dentro de un cuerpo y atraviesa sus superficies.
La propagación de la radiación en un medio que se supone homogéneo, isotrópico y en reposo se realiza en línea recta y tiene la misma velocidad en todas las direcciones. [16] : 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 ingresar a la atmósfera terrestre. En un día despejado al mediodía, sólo alrededor de dos tercios de esta radiación llegan realmente a la superficie. El resto es interceptado por partículas en el aire y transformado en calor en el proceso. La dispersión es notablemente mayor para los rayos de longitud de onda más corta; de ahí el color azul del tragaluz.
Cuando un rayo de calor llega a un cuerpo pueden interactuar de tres formas diferentes:
La absorción y la reflexión normalmente se modelan como fenómenos superficiales que ocurren dentro de una fracción de un micrómetro de la superficie. [17] : 801 Por ejemplo, una pieza de acero muy pulida será altamente reflectante, independientemente del material debajo de la superficie. Por otra parte, la transmisión 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 pueda pasar la radiación.
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. [16] : 11 Sólo las partículas materiales pueden absorber los rayos de calor, no los elementos de las superficies. Para una frecuencia de radiación determinada, 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 determinada es proporcional a la cantidad de absorción que experimentaría la fuente, propiedad conocida como reciprocidad . Por tanto, una superficie que absorbe más luz roja térmicamente irradia 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 tanto, es posible tener una radiación térmica 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 lo expresa la ley de Stefan-Boltzmann . Un horno de cocina, a una temperatura 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 3.000 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 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 característicamente de la conducción y la convección en que no requiere un medio y, de hecho, alcanza la 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
La irradiación térmica es la velocidad a la que la radiación incide sobre una superficie por unidad de área. [17] : 771 Se mide en vatios por metro cuadrado. La irradiación puede reflejarse , absorberse o transmitirse . Los componentes de la irradiación pueden caracterizarse entonces mediante la ecuación
donde, representa la absortividad , la reflectividad y la transmisividad . [17] : 772 Estos componentes son 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 radiación térmica de Kirchhoff . Un objeto se llama cuerpo negro si esto se cumple para todas las frecuencias y se aplica la siguiente fórmula:
Si los objetos aparecen blancos (reflectantes en el espectro visual ), no necesariamente son igualmente reflectantes (y por lo tanto no emisores) en el infrarrojo térmico (consulte 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, en realidad son convectores , y pintarlos de negro mate no serviría de mucho. 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 [19] (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/absortividad" probablemente tendrán una dependencia espectral funcional de emisividad/absortividad.
Sólo los sistemas verdaderamente grises (emisividad/absortividad equivalente relativa 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 estacionario 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 "asumen" que éste es el caso). De manera optimista, estas aproximaciones "grises" se acercarán a las soluciones reales, ya que la mayor parte de la divergencia con las soluciones de Stefan-Boltzmann es muy pequeña (especialmente en la mayoría de los entornos estándar controlados por temperatura y presión de laboratorio).
La reflectividad se diferencia de las demás propiedades en que es de naturaleza bidireccional. En otras palabras, esta propiedad depende de la dirección de 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 por igual en todas las direcciones. Se puede suponer que la reflexión de superficies lisas y pulidas es una reflexión especular, mientras que la reflexión de superficies rugosas se aproxima a la reflexión difusa. [13] 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. [17] : 773 La irradiación también puede incidir sobre una superficie desde cualquier dirección. Por tanto, la cantidad de irradiación sobre una superficie depende de la orientación relativa tanto del emisor como del receptor. El parámetro intensidad de radiación, se utiliza para cuantificar cuánta radiación llega de una superficie a otra.
La intensidad de la radiación a menudo se modela utilizando un sistema de coordenadas esféricas . [17] : 773
El poder emisivo es la tasa a la que se emite radiación por unidad de área. [17] : 776 Es una medida del flujo de calor . El poder emisivo total de una superficie se denota como y puede determinarse por,
La potencia emisiva total también se puede encontrar integrando la potencia emisiva espectral en todas las longitudes de onda posibles. [17] : 776 Esto se calcula como,
La potencia de emisión espectral también se puede determinar a partir de la intensidad espectral, de la siguiente manera,
Un "cuerpo negro" es un cuerpo que tiene la propiedad de dejar entrar todos los rayos incidentes sin que se reflejen en la superficie y no permitirles salir nuevamente. [20]
Los cuerpos negros son superficies idealizadas que actúan como el perfecto absorbente y emisor. [17] : 782–783 Sirven como estándar con el que se comparan 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. [16] Viene dada por la ley de Planck por unidad de longitud de onda como:
La ecuación se deriva como una suma infinita de todas las frecuencias posibles en una región de semiesfera. 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 de emisión espectral de un cuerpo negro, de la siguiente manera, [17] : 784–785
Luego, el poder emisivo total de un cuerpo negro se calcula como,
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, hay que 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, suele conocerse 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 existe una expresión sencilla para ello. 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 un "alrededor", requiere la solución de un conjunto de ecuaciones simultáneas utilizando el método de la radiosidad . En estos cálculos, la configuración geométrica del problema se resume en un conjunto de números llamados factores de vista , que dan la proporción de radiación que sale de una superficie determinada 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 ordenador 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 desde la segunda superficie.
donde es el área de superficie, es el flujo de energía (la tasa de emisión por unidad de superficie) y es el factor de vista desde la superficie 1 a la superficie 2. Al aplicar tanto la regla de reciprocidad para los factores de vista, como la ley de Stefan-Boltzmann , se obtiene:
Se pueden derivar fórmulas para la transferencia de calor por radiación para disposiciones físicas más particulares o más elaboradas, como entre placas paralelas, esferas concéntricas y las superficies internas de un cilindro. [22]
Siempre que se emite y luego se absorbe radiación EM, se transfiere calor. Este principio se utiliza en hornos microondas , corte por láser y depilación por radiofrecuencia .
La bombilla incandescente tiene un espectro que se superpone al espectro del cuerpo negro del sol y la tierra. Algunos de los fotones emitidos por el filamento de una bombilla de tungsteno a 3000 K se encuentran en el espectro visible. La mayor parte de la energía está asociada a fotones de longitudes de onda más largas; estos no ayudan a la persona a ver, pero aun así transfieren calor al ambiente, como se puede deducir empíricamente observando una bombilla incandescente.
La radiación térmica se puede concentrar en un punto diminuto mediante espejos reflectantes, lo que se aprovecha al concentrar la energía solar . 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 sólo el diseño de lente Fresnel es práctico para lentes muy grandes. Cualquiera de los métodos se puede utilizar para vaporizar rápidamente el agua utilizando la luz solar. Por ejemplo, la luz del sol reflejada en los espejos calienta la planta de energía solar PS10 y durante el día puede calentar agua a 285 °C (558 K; 545 °F).
Se puede utilizar una superficie selectiva cuando se extrae energía del sol. También se pueden utilizar superficies selectivas en los colectores solares. Podemos descubrir cuán útil es un recubrimiento superficial selectivo observando la temperatura de equilibrio de una placa que se calienta mediante radiación solar. Si la placa está recibiendo una irradiación solar de 1350 W/m 2 (la mínima es 1325 W/m 2 el 4 de julio y la máxima es 1418 W/m 2 el 3 de enero) del sol, la temperatura de la placa por donde sale la radiación es igual a la radiación que recibe la placa 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 convectiva y ignorando la irradiación solar absorbida en las nubes/atmósfera por simplicidad; la teoría sigue siendo la misma para un problema real.
La radiación térmica juega un papel crucial en el confort humano, influyendo en la sensación de temperatura percibida . Se han desarrollado varias tecnologías para mejorar el confort térmico, incluidos 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 personales radiantes 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 gasolina o eléctricos. En aplicaciones domésticas y comerciales, los calentadores radiantes que funcionan con gas pueden producir un flujo de calor más alto 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. El enfriamiento personal convencional generalmente se logra mediante conducción y convección de calor. Sin embargo, el cuerpo humano es un emisor muy eficiente de radiación infrarroja, lo que proporciona un mecanismo de enfriamiento 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 telas para aplicaciones de enfriamiento personalizadas que permiten que la transmisión infrarroja pase directamente a través de la ropa, al mismo tiempo que son opacas en longitudes de onda visibles, lo que permite al usuario permanecer 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 térmica 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 recubrimientos de baja emisión (baja E) son capas microscópicamente delgadas, prácticamente invisibles, de metal u óxido metálico depositadas en 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 recubrimiento, limitamos la cantidad de radiación que sale de la ventana, aumentando así la cantidad de calor que se retiene dentro de la ventana.
Las superficies metálicas brillantes tienen bajas emisividades 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 esto es el aislamiento multicapa utilizado para aislar las naves espaciales.
Dado que cualquier 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 las naves espaciales. La anomalía del Pioneer , en la que el movimiento de la nave se desvió ligeramente del esperado únicamente por la gravedad, finalmente se atribuyó a la radiación térmica asimétrica de la nave espacial. De manera similar, las órbitas de los asteroides se ven perturbadas 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 YORP efecto ).
Las nanoestructuras con propiedades de emitancia térmica espectralmente selectivas ofrecen numerosas aplicaciones tecnológicas para la generación y eficiencia de energía, [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 intensamente en este rango queda así expuesto al cielo despejado, lo que permite utilizar el espacio exterior como 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 (con la ayuda de la convección simultánea u otros movimientos del aire, como corrientes de aire). La energía térmica perdida se recupera parcialmente absorbiendo la radiación térmica de las paredes u otros alrededores. La piel humana tiene una emisividad muy cercana a 1,0. [26] Un ser humano, que tiene aproximadamente 2 m 2 de superficie y una temperatura de aproximadamente 307 K , irradia continuamente aproximadamente 1000 W. Si las personas están en el interior, rodeadas de superficies a 296 K, reciben aproximadamente 900 W de la pared. , techo y otros alrededores, lo que resulta en una pérdida neta de 100 W. Estas estimaciones dependen en gran medida de variables extrínsecas, como el uso de ropa.
Los colores más claros, así como los blancos y los materiales metálicos, absorben menos luz y, por tanto, se calientan menos. Sin embargo, el color influye poco en la transferencia de calor entre un objeto a temperaturas cotidianas y su entorno. Esto se debe a que las longitudes de onda emitidas predominantemente no se encuentran en el espectro visible, sino en el infrarrojo. Las emisividades en esas longitudes de onda no tienen ninguna relación con las emisividades visuales (colores visibles); En el infrarrojo lejano, la mayoría de los objetos tienen altas emisividades. Así, excepto a la luz del sol, el color de la ropa influye poco en cuanto al calor; Del mismo modo, 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 e encender materiales inflamables. El tiempo hasta que se produce un daño por exposición a la radiación térmica es función de la velocidad de entrega del calor. El flujo de calor radiativo y sus efectos se dan a continuación: [27]
Las propiedades generales de la radiación térmica descritas por la ley de Planck se aplican si la dimensión lineal de todas las partes consideradas, así como los radios de curvatura de todas las superficies, son grandes en comparación con la longitud de onda del rayo considerado (normalmente entre 8 y 25 micrómetros para el emisor a 300 K). De hecho, la radiación térmica, como se analizó anteriormente, solo tiene en cuenta las ondas radiantes (de campo lejano o radiación electromagnética ). Se debe utilizar un marco más sofisticado que incluya la teoría electromagnética para distancias más pequeñas desde la fuente o superficie térmica ( transferencia de calor radiativa de campo cercano ). Por ejemplo, aunque 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, 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 radiación térmica de Planck ha sido cuestionada en las últimas décadas por predicciones y demostraciones exitosas de la transferencia de calor radiativo entre objetos separados por espacios a nanoescala 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 absorbente soportan modos de polariton superficiales 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 polaritones de superficie, los dos objetos deben estar separados por espacios ultraestrechos del orden de micras o incluso nanómetros. Esta limitación complica significativamente los diseños prácticos de dispositivos.
Otra forma de modificar el espectro de emisión térmica del 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 los fotones y mejora la emisión térmica en frecuencias seleccionadas. [29] Para lograr el nivel requerido de confinamiento de fotones, las dimensiones de los objetos radiantes deben ser del orden o inferiores a 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 sólo en el campo cercano sino también en el campo lejano, lo que amplía significativamente el alcance de sus aplicaciones.
