- Radiación
- Mecanismo
Físico - Propiedades de la
Radiación - El Factor de
Forma - El Cuerpo
Negro - El Cuerpo
Gris - Emisividad
- Conclusión
- Bibliografía
A comienzos del siglo XIX la gente estaba interesada en
mejorar la eficiencia de las
máquinas de vapor y de los cañones.
Un hecho evidente era que después de algunos disparos los
cañones se recalentaban hasta tal punto que se
volvían inservibles. Esto llevó a la observación que debía existir una
conexión entre las fuerzas mecánicas y
químicas involucradas en el disparo y el "calórico"
como se llamaba el calor en esa
época.
Fue Joule quien estableció la
relación precisa entre energía mecánica y
calor.
DESARROLLO
Es el proceso de
transmisión de ondas o
partículas a través del espacio o de algún
medio; el término también se emplea para las
propias ondas o partículas. Las ondas y las
partículas tienen muchas características comunes;
no obstante, la radiación
suele producirse predominantemente en una de las dos formas.
La radiación presenta una diferencia fundamental
respecto a la conducción y la convección: las
sustancias que intercambian calor no tienen que estar en
contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La
radiación es un término que se aplica
genéricamente a toda clase de
fenómenos relacionados con
ondas electromagnéticas.
La radiación mecánica corresponde a ondas que
sólo se transmiten a través de la materia, como
las ondas de sonido. La
radiación electromagnética es independiente de la
materia para su propagación; sin embargo, la velocidad,
intensidad y dirección de su flujo de energía se
ven influidos por la presencia de materia.
Esta radiación abarca una gran variedad de
energías. La radiación electromagnética con
energía suficiente para provocar cambios en los
átomos sobre los que incide se denomina radiación
ionizante.
La radiación de partículas también
puede ser ionizante si tiene suficiente energía. Algunos
ejemplos de radiación de partículas son los rayos
cósmicos, los rayos alfa o los rayos beta. Los rayos
cósmicos son chorros de núcleos cargados
positivamente, en su mayoría núcleos de hidrógeno (protones). Los rayos
cósmicos también pueden estar formados por
electrones, rayos gamma, piones y muones.
3.- Propiedades de
la Radiación
Cuando una superficie conserva constantes sus
propiedades direccionales se denomina superficie difusa. Al igual
que una radiación que tenga igual intensidad en todas
direcciones se denomina radiación difusa, como las
emitiría un cuerpo negro.
No obstante, es frecuente que superficies reales
varían sus coeficientes en función de
la dirección. Así, por ejemplo, las superficies de
materiales
metálicos conductores aumentan su emisividad para valores altos
de q .
Por el contrario las superficies no metálicas,
como las normales en los cerramientos, suelen tener una
emisividad direccional bastante constante, salvo para valores muy
elevados de q en que se reduce.
No obstante hay que considerar en ambos casos que, si
bien las intensidades para ángulos rasantes se
desvían del promedio, el flujo total queda poco afectado
porque la ley del coseno
minimiza la radiaciones para ángulos polares
próximos a 90º, por lo que en la práctica se
suelen considerar dichas superficies como emisoras
difusas.
Conviene que se mencionen los tipos de distribución de la intensidad de la
energía reflejada, que depende del tratamiento de la
superficie. Un caso límite son las superficies
especulares, que reflejan la radiación con igual
inclinación que la radiación incidente, como ocurre
con las superficies pulidas. El otro caso límite son las
superficies reflectoras difusas, que distribuyen de forma
homogénea la energía reflejada con independencia
del ángulo de la radiación incidente.
Los casos reales suelen ser una combinación o
variación de estos casos límites,
siendo habitual en las superficies no metálicas que para
valores elevados de q , al disminuir la emisividad y por tanto la
absortividad direccional, aumente la reflectancia direccional y
por ello también la energía reflejada, si bien para
este estudio se consideren en general todas las superficies
normales de los cerramientos como reflectoras difusas por
analogía y simplicidad.
La transferencia de calor por radiación entre dos
superficies cualquiera, se calcula determinando el factor de
forma F12 como la fracción de energía
radiante total que abandona la superficie A1,
(q1 semiesfera) y llega directamente a
una segunda superficie A2,
(q12).
Decimos "negros" porque las superficies pintadas de
negro suelen presentar poderes absorbentes muy altos. En la
práctica nos podemos acercar bastante a las propiedades de
una superficie negra perfecta empleando un cuerpo negro, digamos
esférico, ennegrecido en su superficie interior con una
sustancia que sea muy absorbente para la radiación
térmica (por ejemplo, negro de humo).
Si practicamos un pequeño orificio, la
radiación que él penetre se absorberá en
parte y, en parte, se reflejará. La fracción
reflejada incidirá sobre otra zona de la superficie
interna y también se absorberá y reflejará
en parte, y así sucesivamente.
Por consiguiente, nada o prácticamente nada, de
la radiación incidente se escapará por el orificio
por el que penetró, por lo que el plano del orifico se
comporta como un cuerpo negro perfecto con respecto a la
radiación que incide sobre él.
Emite una cantidad de energía radiante de su
superficie Qr, dada por la ecuación:
en la que Eb es el poder emisivo
del radiador, viniendo expresado el calor radiante Qr
en W, la temperatura T
de la superficie en °K, y la constante dimensional s de
Stefan-Boltzman en unidades SI, en la forma:
La ecuación anterior dice que toda superficie
negra irradia calor proporcionalmente a la cuarta potencia de su
temperatura absoluta. Aunque la emisión es independiente
de las condiciones de los alrededores, la evaluación
de una transferencia neta de energía radiante requiere una
diferencia en la temperatura superficial de dos o más
cuerpos entre los cuales tiene lugar el intercambio.
Si un cuerpo negro a T1 (ºK) irradia calor a un
recinto que le rodea completamente y cuya superficie es
también negra a T2 (ºK), es decir, absorbe toda la
energía radiante que incide sobre él, la
transferencia de energía radiante viene dada
por:
Si los dos cuerpos negros tienen entre sí una
determinada relación geométrica, que se determina
mediante un factor de forma F, el calor radiante transferido
entre ellos es:
Los cuerpos reales no cumplen las especificaciones de un
radiador ideal, sino que emiten radiación con un ritmo
inferior al de los cuerpos negros.
Si a una temperatura igual a la de un cuerpo negro
emiten una fracción constante de la energía que
emitirían considerados como cuerpo negro para cada
longitud de onda, se llaman cuerpos grises.
Llamamos "cuerpo gris" a un tipo especial de superficie
no negra en el que el poder emisivo monocromático es
independiente de la longitud de onda de la radiación
emitida, en el que Wl y Wn le dan el mismo cuociente para todas
las longitudes de onda de las radiaciones emitidas a la misma
temperatura.
Esta definición de cuerpo gris no elimina la
posibilidad de que el poder emisivo dependa de la temperatura de
la superficie emisora. Las características de superficie
gris la poseen en grado bastante elevado ciertos materiales, como
la pizarra, etc. Además, empleando el valor medio
del poder emisivo tomado a lo largo de toda la banda de
longitudes de onda es posible representar una superficie no gris
como si lo fuera.
Representaremos con el símbolo e sin
subíndice el poder emisivo de una superficie gris, y al
considerar que depende sólo de la temperatura del emisor,
la emitancia de una superficie gris es la siguiente:
W = e Wn
W = esT4
El suponer que el poder es independiente de la longitud
de onda de la emisión determina que la curva de
distribución de la emitancia monocromática (Wl en
función de l) para un cuerpo gris pueda ajustarse a la de
una superficie absolutamente negra a la misma temperatura, sin
que se registre un desplazamiento del máximo de la curva,
tal como se indica en la figura.
Se incluye también en la figura mencionada una
curva típica de la emitancia de una superficie no gris. La
variación del poder emisivo con la longitud de onda es
evidente en este caso.
Emite radiación según la
expresión:
El calor radiante neto transferido por un cuerpo gris a
la temperatura Tl a un cuerpo negro que le rodea a la temperatura
T2 es:
Siendo 1 la emitancia de la
superficie gris, igual a la relación entre la
emisión de la superficie gris y la emisión de un
radiador perfecto a la misma temperatura. El hecho de que la
transferencia de calor dependa de T4 complica los
cálculos.
Si T1 y T2 no difieren demasiado,
se puede poner:
Siendo: hr = 4
1Tm3, el coeficiente de
transferencia de calor por radiación.
A la temperatura de 25ºC = 298ºK, se obtiene:
hr= 6 1 W/m2ºK, por lo que el
coeficiente de transferencia de calor por radiación a la
temperatura ambiente es
del orden de 6 veces la emitancia de la superficie.
Para: T1 = 320ºK y T2 = 300ºK, el error debido
al empleo de la
aproximación es del 0,1%.
Para: T1 = 400ºK y T2 = 300ºK, el error debido
al empleo de la aproximación es del 2%.
Si ninguno de los dos cuerpos es un radiador perfecto,
pero poseen entre sí una determinada relación
geométrica, el calor radiante neto transferido entre ellos
viene dado por:
En muchos problemas
industriales, la radiación se combina con otros modos de
transmisión del calor. La solución de tales
problemas se puede simplificar utilizando una resistencia
térmica Rr para la radiación; su
definición es semejante a la de la resistencia
térmica de convección y
conducción.
La cantidad térmica radiada por superficie-unidad
de un cuerpo excitado térmicamente por unidad de tiempo depende
exclusivamente de la temperatura absoluta de dicho cuerpo, de la
sustancia de la que está constituido y de la naturaleza de
la superficie.
La energía emitida que abandona la superficie por
unidad de tiempo y de área generalmente se representa con
el símbolo W.
La forma radiactiva de la transmisión del calor
se caracteriza porque la energía se transporta en forma de
ondas electromagnéticas, que se propagan a la velocidad de
la luz. El transporte de
energía por radiación se puede realizar entre
superficies separadas por el vacío; así por
ejemplo, el Sol transmite
energía a la Tierra por
radiación a través del espacio que, una vez
interceptada por la Tierra, se
transforma en otras fuentes de
energía.
- Chapman, Alanj. Transmisión del calor.
Madrid:
Librería Editorial Bellisco, 3ª ed., 1990. Libro de
consulta en el que se exponen los mecanismos de
transmisión del calor. - Gálvez F. J. y otros. Curso teórico
práctico de fundamentos físicos de la ingeniería. Madrid: Tébar Flores,
1998. Texto
universitario adecuado para estudiantes de ingeniería y
en el que, entre otros temas, se trata sobre el calor y sus
mecanismos de transmisión y
propagación. - Holman, J. P. Transferencia de calor. Madrid:
Editorial McGraw-Hill, 8ª ed., 1998. Texto universitario
clásico en el que, de forma exhaustiva, se presenta el
calor y sus mecanismos de transferencia.
Realizado por:
CARMONA, Carlos
JIMENEZ, Carlos
MORA, José
Republica Bolivariana de Venezuela
Ministerio de Educación
Superior
IUT. "Antonio José de Sucre"
Cátedra: Transferencia de Calor
Maracaibo, julio de 2005