RADIACIÓN TÉRMICA

1. MODOS DE TRANSMISIÓN DEL CALOR

La radiación térmica es sólo uno de los modos, uno de los mecanismos, uno de los procesos, una de las formas de transmisión del calor. Estos modos, en visión y lenguaje actualizados, y en síntesis introductoria, son los siguientes:

Conducción. Consiste en un transporte de energía calorífica sin transporte de materia, pero en presencia de ésta; es decir, tiene lugar en los cuerpos, exige la presencia de materia. Este proceso es típico de los sólidos y se considera consecuencia de la agitación térmica: 1) de los fonones (cuantos de energía de las ondas elásticas o de vibración de las redes interatómicas; caso de los sólidos no metálicos); 2) de los electrones libres (sólidos metálicos); o 3) de las moléculas (en los fluidos). En este último caso -de los fluidos- es imposible separar el proceso de conducción del proceso de convección, propio de los fluidos.

Convección. Consiste en un transporte de energía calorífica con transporte de materia. (Por tanto, precisa también la presencia de materia). Este proceso es típico de los fluidos y se considera consecuencia de una diferencia de temperatura que origina diferencias de densidad de unos puntos a otros -ya que la densidad es función de la temperatura, (T)- que en presencia de un campo gravitatorio origina las corrientes de convección.

Radiación. Consiste en un transporte de energía calorífica que puede tener lugar tanto en presencia de materia como en ausencia de ésta (en el vacío). No exige, en consecuencia, la presencia de materia. Este proceso tiene carácter de onda electromagnética térmica; es decir, cualitativamente es una onda electromagnética (que en el vacío se propaga a la velocidad de la luz), y de manera concreta de un determinado rango de frecuencias. La emisión tiene lugar en todas direcciones y al incidir en un cuerpo éste puede actuar reflejándola, absorbiéndola (con aumento de la energía interna, incremento de la temperatura) o transmitiéndola. Se denomina radiación térmica a la que resulta exclusivamente de la temperatura (puede haber radiación debido a bombardeo de electrones, a descargas eléctricas, etc).

2. CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN

con/sin presencia de materia. 1. Fenómeno de transporte de energía calorífica

sin transporte de materia (ondas electromagnéticas).

2. A diferencia con la conducción y convección, la radiación no precisa diferencia de temperatura entre dos cuerpos, o entre dos partes de un mismo cuerpo, la emisión de energía radiante se produce siempre. Basta que su temperatura sea mayor que 0º K (Ley de Prevost). Emiten radiación tanto los cuerpos calientes como los fríos, lo que implica un flujo de calor en los dos sentidos:

cuerpo "caliente"  cuerpo "frío"

Flujo resultante = diferencia de flujos = FLUJO NETO

3. La radiación depende de la temperatura termodinámica del cuerpo emisor y es independiente de la temperatura del cuerpo receptor o del ambiente. Por tanto, la energía que radian todos los cuerpos es consecuencia directa de su temperatura (en cualquier estado térmico).

4. La radiación no es calor pero se convierte en él mediante la absorción de las ondas electromagnéticas por la materia y deja, entonces, de ser radiación para fluir hacia el interior del sólido por conducción.

5. La radiación se mueve a través del espacio siguiendo líneas rectas o rayos y solamente las sustancias que están a la vista del cuerpo radiante pueden interceptar la radiación procedente de él.

6. Longitud de onda de la radiación Radiación térmica (0,1 – 100)

Radiación solar

0,1 0,38

0,25 0,79

3,0  (m)

Ultravioleta (0,01-0,38)

Visible (0,38-0,79)

Infrarroja (0,79-100) La radiación térmica que corresponde a la emisión de energía en función de su temperatura se sitúa entre 0,1 y 100 m, y, por tanto, incluye totalmente en su interior la parte visible del espectro electromagnético. La radiación solar, después de atravesar la atmósfera, está comprendida entre 0,25 y 3 m aproximadamente.

7. Los seres vivos nos calentamos por la energía radiante del sol = energía absorbida que se transforma en energía calorífica.

- Calentamiento a distancia: no se precisa contacto entre los cuerpos.

- Equilibrio térmico: igual cantidad de calor radiado y absorbido. Implica:

Velocidad de emisión = Velocidad de absorción.

3. ABSORCIÓN, REFLEXIÓN Y TRANSMISIÓN

E

R

T A

a) EMISIÓN: Todos los cuerpos emiten un espectro continuo de longitudes de onda ( dispersión = análisis de las distintas longitudes de onda, λ, de los cuerpos).

b) TRANSPORTE: Con o sin presencia de materia. c) RECEPCIÓN: La energía radiante (E), al chocar con un cuerpo, es absorbida (A), reflejada (R) y transmitida (T) en proporciones variables según la naturaleza del cuerpo.

El emisor convierte parte de su energía interna (U) en ondas electromagnéticas (-ΔU).

La parte de energía radiante incidente absorbida por la superficie del cuerpo (A) se transforma en un aumento de su energía interna (+ΔU) y, por tanto, en un aumento de su temperatura (+ΔT). La absorción de radiación es un fenómeno superficial y no un fenómeno de volumen, de forma que en el interior del sólido no afecta la absorción. Sin embargo, el calor generado en la absorción puede fluir hacia el interior del sólido por conducción.

Según el principio de conservación de la energía:

E = A R+ +T

Dividiendo esta expresión por la energía incidente (E):

1= A + R + T E E E O bien:

1=+ +

Siendo:

α = A/E = fracción de la radiación que es absorbida = poder absorbente = absortividad.

ρ = R/E = fracción de la radiación que se refleja = poder reflexivo = reflectividad.

τ = T/E = fracción de la radiación que se transmite = poder transmisivo = transmisividad.

La mayor parte de los sólidos con los que se trabaja en ingeniería y arquitectura son cuerpos opacos a la radiación, es decir, poseen una transmisividad tan baja que puede considerarse nula frente a la absortividad y reflectividad. Para éstos se verifica:

τ = 0  α + ρ = 1

Sin embargo, el vidrio, ciertos materiales plásticos y algunos minerales, así como los gases, tienen una transmisividad muy alta y, por tanto, baja absortividad y reflectividad. En el caso del aire (seco y limpio) las radiaciones térmicas lo atraviesan como si fuera el vacío, verificándose:

τ  1  α  ρ  0

REFLEXIÓN DE LOS CUERPOS OPACOS

En general, el coeficiente de reflexión (reflectividad) de un cuerpo opaco depende de la temperatura y de la superficie del material, de la longitud de onda incidente y del ángulo de incidencia. Existen dos tipos principales de reflexión:

a) Reflexión especular. Se produce en superficies lisas y pulimentadas en las que el rayo reflejado forma el mismo ángulo que el rayo incidente. En estas superficies ρ  1 y α  0.

b) Reflexión difusa. Se produce sobre superficies rugosas o sin brillo que reflejan de forma difusa en todas direcciones y no existe un ángulo de reflexión concreto. En éstas:   1 y ρ  0.

La mayor parte de las superficies industriales utilizadas en construcción producen reflexión difusa y se puede aceptar la hipótesis de que  y ρ son independientes del ángulo de incidencia. Para algunas superficies se puede aceptar, además, la hipótesis de que  es el mismo para todas las longitudes de onda. A estas superficies se les llama cuerpo gris.

CASOS LÍMITE

CUERPO TRANSPARENTE O DIATÉRMANO: Transmite toda la radiación incidente. τ = 1.

CUERPO BLANCO: Refleja toda la radiación incidente. ρ = 1.

CUERPO NEGRO: Absorbe toda la radiación incidente. α = 1.