Transferencia de calor por radiación

El término radiación se refiere a la emisión continua de energía desde la superficie de cualquier cuerpo, esta energía se denomina radiante y es transportada por las ondas electromagnéticas que viajan en el vacío a la velocidad de 3·108 m/s . Las ondas de radio, las radiaciones infrarrojas, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma, constituyen las distintas regiones del espectro electromagnético.

¿Qué es un cuerpo negro?

La superficie de un cuerpo negro es un caso límite, en el que toda la energía incidente desde el exterior es absorbida, y toda la energía incidente desde el interior es emitida.

No existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el negro de humo refleja el 1% de la energía incidente. Sin embargo, un cuerpo negro se puede sustituir con gran aproximación por una cavidad con una pequeña abertura. La energía radiante incidente a través de la abertura, es absorbida por las paredes en múltiples reflexiones y solamente una mínima proporción escapa (se refleja) a través de la abertura. Podemos por tanto decir, que toda la energía incidente es absorbida.

La radiación del cuerpo negro

Consideremos una cavidad cuyas paredes están a una cierta temperatura. Los átomos que componen las paredes están emitiendo radiación electromagnética y al mismo tiempo absorben la radiación emitida por otros átomos de las paredes. Cuando la radiación encerrada dentro de la cavidad alcanza el equilibrio con los átomos de las paredes, la cantidad de energía que emiten los átomos en la unidad de tiempo es igual a la que absorben. En consecuencia, la densidad de energía del campo electromagnético existente en la cavidad es constante.

A cada frecuencia corresponde una densidad de energía que depende solamente de la temperatura de las paredes y es independiente del material del que están hechas.

Si se abre un pequeño agujero en el recipiente, parte de la radiación se escapa y se puede analizar. El agujero se ve muy brillante cuando el cuerpo está a alta temperatura, y se ve completamente negro a bajas temperaturas.

¿Qué es un cuerpo gris?Un cuerpo gris es aquel que refleja la mitad de la luz que le llega, mita de la radiación es reflejada y la otra mitad es absorbida.

Espectro electromagnético

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas.

Referido a un objeto, el espectro electromagnético o simplemente espectro es la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia cualquiera, ya sea en la Tierra o en el espacio estelar. En este sentido, el espectro sirve para identificar cualquier sustancia. Es como una huella dactilar de un cuerpo cualquiera. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios, con los cuales, además, se pueden medir la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación.

Como se ve, el espectro electromagnético cubre longitudes de onda muy variadas.

Aunque no están incluidas en el cuadro anterior, existen ondas que tienen frecuencias muy bajas: de 30 Hz y menores. Estas ondas tienen longitudes de onda superior a los 10 km y son relevantes en el estudio de ciertas nebulosas.

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor

longitud de onda (rayos gamma, rayos X), hasta las de mayor longitud de onda (ondas de radio).Todas las radiaciones electromagnéticas se transmiten a la velocidad de la luz (300.000 km/segundo) y en forma de ondas.Por lo cual, mientras más corta sea la longitud de onda, más alta es la frecuencia de la misma. Onda corta, significa alta frecuencia. Onda larga, baja frecuencia.Desde un punto de vista teórico, el espectro electromagnético es infinito y continuo.La energía electromagnética en una particular longitud de onda λ (en el vacío) tiene una frecuencia f asociada y una energía de fotón E. Por tanto, el espectro electromagnético puede ser expresado igualmente en cualquiera de esos términos.Por lo tanto, las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y mucha energía mientras que las ondas de baja frecuencia tienen grandes longitudes de onda y poca energía.

Como se ve, el espectro electromagnético cubre longitudes de onda muy variadas.Aunque no están incluidas en el cuadro anterior, existen ondas que tienen frecuencias muy bajas: de 30 Hz y menores. Estas ondas tienen longitudes de onda superior a los 10 km y son relevantes en el estudio de ciertas nebulosas.

Por otro lado se conocen frecuencias altísimas, cercanas a 2,9×1027 Hz, mucho mayores que las de rayos gamma, que han sido detectadas provenientes del espacio exterior a la Vía Láctea.

El espectro electromagnético de la luz visible, cubre el rango de 380 nanómetros a 780 nanómetros (3.800 a 7.800 Angströms)Mientras más corta es la

longitud de onda de luz visible, el color está más cerca del ultravioleta. A mayor longitud de onda, es decir menor frecuencia, el color se acerca al infrarrojo.Las ondas de radiofrecuencia, producidas por las emisoras de radio son de mayor longitud que las ondas de luz. Los rayos X, los rayos gamma y los rayos cósmico tienen longitud de onda super corta, es decir altísima frecuencia.La unidad usual para expresar las longitudes de onda de luz es el Ångström. Los intervalos van desde los 8.000 Ångströms (rojo) hasta los 4.000 Ångströms (violeta), donde la onda más corta es la del color violeta.

¿Cuál es la ventana de la radiación térmica?Se les conocen como barreras radiantes o barreras reflectivas a aquellos conjuntos que inhiben la transferencia de calor mediante radiación térmica.Sin embargo la energía térmica también puede ser transferida mediante los mecanismos de conducción o convección, y las barreras radiantes no necesariamente protegen contra la transferencia de calor mediante conducción o convección. Para mejorar la protección a la transferencia de calor por convección y conducción, es posible un aislamiento reflectivo siempre que la barrera radiante se instale frente a un espacio de aire contenido o con una capa de aislamiento tradicional como ser espuma, fibra de vidrio o telgopor.

¿Qué cosa es emitancia?Hay distintos tipos de emitancia pero los principales son:La emitancia radiante: es el flujo radiante emitido (directamente o por reflexión o transmisión) en todas direcciones desde una fuente de radiación por unidad de área. Se mide en vatios por metro cuadrado (W/m2).

La emitancia luminosa: se corresponde con la emitancia radiante y su unidad de medida es el lumen por metro cuadrado (lm/m2). La emitancia luminosa mide la densidad del flujo luminoso por unidad de superficie y se refiere a la emisión de luz. Es una magnitud poco usada en la visión del color.

¿Qué cosa es absortancia?Relación entre el flujo energético absorbido por un elemento de una superficie y la radiación incidente. NOTA- La absortancia se puede aplicar a una sola longitud de onda o a una gama de longitudes de onda.

¿Qué cosa es reflectancia?

La reflectancia media de una superficie, representa la capacidad de esa superficie para reflejar la luz que proviene desde las luminarias instaladas y desde las otras superficies del local (no se consideran los aportes externos). Por ello el flujo luminoso emitido por las luminarias y reflejado en las superficies del local, permitirá incrementar el nivel de iluminación sobre todas las superficies del mismo incluido el "Plano de Trabajo". Por lo dicho la Iluminación de una superficie será la suma del flujo luminoso que incide directamente sobre la misma (Componente Directa) y el Flujo Reflejado en las otras superficies del local (Componente Reflejada ó Indirecta). Como orientación una superficie con: Colores muy claros se deberá representar con reflectancias elevadas (mayores o

iguales al 70%). Colores intermedios se representarán con reflectancias medias (entre 40% y 70%). Colores oscuros se representarán con reflectancias bajas (entre 0% y 40%). Algunas cartas de colores provistas por fábricas de pinturas, contienen información de reflectancia estimada correspondiente a superficies lisas y de acuerdo al acabado superficial de la pintura, (en general acabado mate).

VALORES INDICATIVOS DE REFLECTANCIA (%) DE ALGUNOS MATERIALES:Ladrillos Esmaltados Blancos, 85-75 Mármol Blanco, 70-60 Terminación Iggam Claro, 60-40 Terminación Iggam Oscuro, 40-20 Piedra Arenisca Clara, 50-30 Piedra Arenisca Oscura, 30-15 Ladrillo Vista Claro, 40-30 Ladrillo Vista Oscuro, 30-15 Madera Clara, 50-30 Madera Oscura, 30-10 Granito Intermedio, 30-10 Hormigón Natural, 20-10 Piedra Arenisca, 20-10La reflectancia se expresa en porcentaje y mide la cantidad de luz reflejada por una superficie.Para conseguir la mejor eficacia, tanto para la incidencia de la luz del día como para la eléctrica, la reflectancia de la luz del techo debe ser elevada. Una reflectancia elevada también reduce el riesgo de deslumbramiento porque disminuye el índice de luminancia (p.e. la diferencia de brillo entre las superficies luminosas de los accesorios eléctricos y el techo). En el caso de la luz directa la reflectancia de la luz de techo suspendido debe ser de al menos 70%.Con la luz indirecta, la reflectancia debe ser superior, ya que el nivel de iluminación de la estancia depende en gran medida de la cantidad de luz que refleja la

superficie del techo. Para una luz indirecta satisfactoria, la superficie del techo requiere una reflectancia de por lo menos 80%.Los techos con una alta reflectancia también proporcionan una iluminación más rentable, sobre todo cuando se combinan con la luz indirecta.

¿Qué cosa es transmitancia?La transmitancia se define como la cantidad de energía que atraviesa un cuerpo en determinada cantidad de tiempo.Existen varios tipos de transmitancia, dependiendo de qué tipo de energía consideremos:

La transmitancia óptica se refiere a la cantidad de luz que atraviesa un cuerpo, en una determinada longitud de onda. Cuando un haz de luz incide sobre un cuerpo traslúcido, una parte de esa luz es absorbida por el mismo, y otra fracción de ese haz de luz atraversará el cuerpo, según su transmitancia. El valor de la transmitancia óptica de un objeto se puede determinar según la siguiente expresión:

I es la cantidad de luz transmitida por la muestra e I0 es la cantidad total de luz incidente.Muchas veces encontraremos la transmitancia expresada en porcentaje, según la fórmula:

Podemos hablar de transmitancia térmica como la cantidad de energía en forma de calor que atraviesa un cuerpo, en cierta unidad de tiempo. Si tenemos en cuenta un cuerpo con caras planas y paralelas, y entre sus caras hay una diferencia térmica, esta diferencia constituye la transmitancia térmica del cuerpo. La transmitancia térmica es el inverso de la resistencia térmica. Se puede definir

según la siguiente fórmula:

En esta expresión tenemos queU = transmitancia en W/m2. KelvinS = superficie del cuerpo en m2.K = diferencia de temperaturas en grados Kelvin.El concepto de este tipo de transmitancia es aplicado en los cálculos para construir aislamientos térmicos y para calcular pérdidas de energía en forma de calor.También se toman en cuenta estos conceptos al momento de calefaccionar una habitación, ya que hay que calcular qué potencia se necesitará en un determinado período, para lograr una cierta temperatura en la habitación, teniendo en cuenta la pérdida de calor debido a la transmitancia de las paredes de la habitación

Factor de forma:Si un cuerpo negro A1 irradia a otro cuerpo negro A2 la transferencia neta de energía radiante viene dada por:

qr= σ A1F1-2(T14-T24)

en la queF1-2 se conoce como factor de forma o factor de visión, que modifica la ecuación de los radiadores perfectos teniendo en cuenta las geometrías relativas de los cuerpos. Los cuerpos reales no cumplen las especificaciones de un radiador ideal, sino que emiten radiación a 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 emisión correspondiente a un cuerpo negro, para cada longitud de onda.

La transferencia de calor por radiación entre dos superficies cualquiera, se calcula determinando el factor de forma

F12, que se interpreta como la fracción de energía radiante total que abandona la superficie A1, (q1→semiesfera) y llega directamente a una segunda superficie A2, (q1→2).

FACTOR DE FORMA dFdA1→dA2 ENTRE DOS SUPERFICIES INFINITESIMALES d A1y d A2.-Para deducir una expresión del factor de forma dFdA1→dA2:

dFdA 1→dA2= dqdA1→dA2 /dqdA1→semiesfera

Bibliografía

Transmitancia y absorbancia | La Guía de Química http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/transmitancia-y-absorbancia

http://andresiead.blogspot.mx/2009/02/cuerpo-negro-blanco-y-gris-en-fisica.html

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/negro/radiacion/radiacion.htm http://astrojem.com/teorias/espectroelectromagnetico.html http://es.wikipedia.org/wiki/Barrera_radiante http://www.ecophon.com/es/rendimiento/proprieta-tecniche1/Aspecto-

visual/Light-reflectance/ http://www.wikilengua.org/index.php/Terminesp:absortancia http://gusgsm.com/emitancia_radiante