Ejemplo de Radiación

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Autor: Redacción Ejemplode.com, año 2017

La radiación es uno de los tres mecanismos de transferencia de calor: Conducción, Convección y Radiación. Es la energía emitida por la materia en la forma de ondas electromagnéticas, como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. A diferencia de la conducción y la convección, la transferencia de energía por radiación no requiere la presencia de un medio interpuesto, o del contacto directo de las superficies que intercambiarán energía. De hecho, la transferencia de energía por radiación es la más rápida, a la velocidad de la luz, y no sufre atenuación o alteración en el vacío. Es de esta manera como la energía solar llega al planeta Tierra.

En los estudios de Transferencia de Calor, es de interés la Radiación Térmica, que es la forma de Radiación emitida por los cuerpos debido a su temperatura. Es diferente de las otras formas de Radiación, como los rayos X, los rayos gamma, las microondas, las ondas de radio y de televisión, que no están relacionadas con la temperatura. Todos los cuerpos a una temperatura arriba del cero absoluto emiten radiación térmica.

La radiación es un fenómeno de carácter volumétrico, es decir, que se manifiesta y es medible por unidad de volumen, y todos los sólidos, líquidos y gases emiten, absorben o transmiten radiación en diversos grados. Sin embargo, la radiación suele considerarse como un fenómeno superficial para los sólidos que son opacos a la radiación térmica, como los metales, la madera y las rocas, ya que las radiaciones emitidas por las regiones interiores de un material de estos tipos nunca pueden llegar a la superficie, y la radiación incidente sobre esos cuerpos suele absorberse en unas cuantas micras hacia adentro de dichos sólidos.

La velocidad máxima de radiación que puede ser emitida desde una superficie a una Temperatura T en escala absoluta Kelvin o Rankine, se expresa por la Ley de Stefan-Boltzmann, como:

Donde σ=5.67x10-8 W/(m2*K4), o bien 0.1714x10-8 Btu/(h*ft2*R4) es la constante de Stefan-Boltzmann. La superficie idealizada que emite radiación a esta velocidad máxima se llama cuerpo negro y la radiación emitida por éste es la radiación del cuerpo negro. La radiación emitida por todas las superficies reales es menor que la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura, y se expresa como:

En donde ε es la Emisividad de la superficie. La emisividad cuyo valor está en el intervalo 0 <= ε <= 1, es una medida de cuán próxima está una superficie de ser un cuerpo negro, para el cual la emisividad es igual a 1.

Otra propiedad importante, relacionada con la radiación de una superficie, es su absortividad α, la cual es la fracción de la energía de radiación incidente sobre una superficie que es absorbida por ésta. Como la emisividad, su valor está en el intervalo de 0 a 1. Un cuerpo negro absorbe toda la radiación incidente sobre él. Es decir, un cuerpo negro es un absorbente perfecto, del mismo modo que es un emisor perfecto.

Tanto la emisividad como la absortividad de una superficie dependen de la temperatura y de la longitud de onda de la radiación. La ley de Kirchhoff de la radiación afirma que la emisividad y la absortividad de una superficie a una temperatura y longitud de onda dadas son iguales. En muchas aplicaciones prácticas, las temperaturas de la superficie y de la fuente de radiación incidente son del mismo orden de magnitud y la absortividad promedio de una superficie se considera igual a su emisividad promedio.

La velocidad a la cual una superficie absorbe la radiación se determina a partir de:

Donde Qincidente es la velocidad a la cual la radiación incide sobre la superficie y α es la absortividad de la superficie. Para las superficies opacas (no transparentes), la parte de la radiación incidente no absorbida por la superficie se refleja.

La diferencia entre las velocidades de la radiación emitida por la superficie y la radiación absorbida es la transferencia neta de calor por radiación. Si la velocidad de absorción de la radiación es mayor que la de emisión, se dice que la superficie está ganando energía por radiación. De lo contrario, se dice que la superficie está perdiendo energía por radiación. En general, la determinación de la velocidad neta de la transferencia de calor por radiación entre dos superficies es un asunto complicado, ya que depende de las propiedades de las superficies, de la orientación de una con respecto a la otra y de la interacción del medio que existe entre ellas con la radiación.

Cuando una superficie de emisividad ε y área superficial As que se encuentra a una temperatura absoluta Ts, está completamente encerrada por una superficie mucho mayor (o negra) que se encuentra a la temperatura absoluta Taire y separada por un gas como el aire, que no interviene con la radiación, la rapidez neta de transferencia de calor por radiación entre estas dos superficies se expresa por:

En este caso especial, la emisividad y el área superficial de la superficie circundante no tienen efecto sobre la transferencia neta de calor por radiación. La transferencia de calor por radiación hacia una superficie, o desde ésta, rodeada por un gas como el aire, ocurre paralela a la conducción (o convección, si se tiene un movimiento masivo del gas) entre esa superficie y el gas. Por tanto, la transferencia total de calor se determina al suma las contribuciones de los dos mecanismos de transferencia. Por practicidad esto se lleva a cabo con frecuencia mediante la definición de un coeficiente combinado de transferencia de calor, hcombinado, que incluye los efectos tanto de la convección como de la radiación. Entonces, la velocidad total de transferencia de calor hacia una superficie, o desde ésta, por convección y radiación se expresa como:

Hay que notar que el coeficiente combinado de transferencia de calor es un coeficiente de transferencia de calor por convección modificado para incluir los efectos de la radiación.

La radiación suele ser significativa con relación a la conducción o a la convección natural, pero despreciable con relación a la convección forzada. Por tanto, en las aplicaciones de convección forzada se suele descartar la radiación, en especial cuando las superficies que intervienen tienen emisividades bajas y temperaturas de bajas a moderadas.

Ejemplos de Radiación

La incidencia de Microondas en un alimento para acelerar sus partículas y así aumentar su temperatura.

El choque de la energía solar contra la atmósfera terrestre.

El contacto de los Rayos Ultravioleta contra la Piel, cuya reflexión es mejor si se utiliza bloqueador solar.

Un cuerpo al rojo vivo en contacto con un entorno a menor temperatura.

El acercamiento de una mano humana a la periferia de una mufla o estufa de alta temperatura.

Citado APA: (A. 2017,05. Ejemplo de Radiación. Revista Ejemplode.com. Obtenido 05, 2017, de http://www.ejemplode.com/37-fisica/4522-ejemplo_de_radiacion.html)

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Autor: Redacción Ejemplode.com, año 2017

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