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Radiación térmica

Enviado por carlosc856



  1. Radiación
  2. Mecanismo Físico
  3. Propiedades de la Radiación
  4. El Factor de Forma
  5. El Cuerpo Negro
  6. El Cuerpo Gris
  7. Emisividad
  8. Conclusión
  9. Bibliografía

INTRODUCCION

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

1.- Radiación

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.

2.- Mecanismo Físico

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.

4.- El Factor de Forma

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, (q12).

5.- Cuerpo Negro

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.

6.- Cuerpo Gris

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 1Tm3, 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.

7.- Emisividad

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.

CONCLUSION

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.

BIBLIOGRAFIA

  • 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


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