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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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