Energía Radiante: Transferencia de Calor por Radiación

El propósito de este trabajo es hablar de la transferencia de calor por radiación, que tiene como alusión utilizar las ondas electromagnéticas, y la ley que nos explica los fenómenos de transferencia de calor entre diferentes objetos y el ambiente que lo rodea, todos los elementos emiten energía radiante, con una temperatura variable. Los objetos ideales que aspiran toda la radiación que llega a su superficie y su emisividad es igual a uno llamados cuerpos negros y de otros que se asimilan más a la realidad llamados cuerpos grises, así como de las propiedades que estos cuerpos presentan como emisividad, absortividad, reflectividad y de cómo se ve afectada la transferencia de calor de acuerdo con las extensiones de los cuerpos.

Como consecuencia de este fenómeno, dos elementos colocados en el vacío que están a desemejantes temperaturas alcanzan el equilibrio térmico debido a que el de menor temperatura recibe energía radiante del otro cuerpo de mayor temperatura. Cuando la energía radiante es absorbida por un elemento, se transforma en calor; no obstante, la energía radiante también puede ser reflejada (difundida) o refractada (propagada) por los cuerpos. Trataremos únicamente la energía radiante difundida por los sólidos y los líquidos, pues la emitida por los gases obedece a leyes muy diferentes. 

Fundamentos de la transferencia de calor

La transferencia de calor clásica sucede solamente a través de los procesos de conducción, convección, radiación o cualquiera de ellos. La transferencia de calor afiliada a la alteración de fase de una sustancia (como, por ejemplo, la asociada al proceso de borboteo del agua líquida) a veces se considera como un tipo de convección. La temperatura es una magnitud física que se describe a la sensación de frío o caliente al tocar alguna sustancia. En cambio, el calor es un traslado de energía de una parte a otra de un elemento, o entre diferentes elementos; producida por una disimilitud de temperaturas. El calor se da cuando se eleva la temperatura en la zona fría y disminuye el lugar cálido porque es una energía en tránsito. 

Objetivos

• Objetivo General

Describir y dar a conocer los diferentes fundamentos y leyes de la transferencia de calor específicamente por radiación y en que ocasiones se aplican.

• Objetivo Específico

1. Distinguir las diferencias entre los tipos de transferencia de calor por conducción por convección y por radiación.
2. Definir los conceptos básicos de los autores que explican la distribución espectral de la energía radiante y las ondas electromagnéticas.
3. Explicar las leyes de la transferencia de calor por Radiación.
4. Para el acrecentamiento de la investigación se emplearon libros de diferentes autores, informaciones sacadas de páginas webs, y ámbitos informativos virtuales.

El presente trabajo solo tomará en cuenta todo lo enlazado con la transferencia de calor por radiación, sacará y recalcará los puntos más importantes de este tema para que los lectores puedan sacar el mejor beneficio e información de esta monografía.

Transferencia de calor por radiación

Es un proceso por el cual fluye calor desde un cuerpo de alta temperatura a uno de baja temperatura, cuando estos están separados por un espacio, incluso puede ser el vacío. 

Radiación electromagnética emitida por un cuerpo

La radiación es la retransmisión prolongada de la energía de la superficie de todos los cuerpos. Los conductores de esta potencia son las ondas electromagnéticas elaboradas por las oscilaciones de las partículas cargadas que forman parte de los átomos y moléculas de la materia. La radiación electromagnética que se obtiene a causa del paso de los átomos y moléculas de una sustancia se denomina radiación térmica o de temperatura. “Todos los cuerpos emiten radiación térmica por el hecho de estar a una temperatura diferente a ceros absolutos. A temperaturas por poco menor de 6000C la radiación retransmitida es infrarroja.A temperaturas superiores a 6000C la radiación retransmitida tiene longitudes de onda cada vez más corta e incluye a la gama visible”. Espectro RadiaciónSe efectuaron una gradación de experimentos en los cuales tomaban las radiaciones emitidas a una cierta temperatura y medían su energía a distintas longitudes de onda. Así encontraron que las energías en las distintas longitudes de onda no eran niveladas. Si E λ es la energía retransmitida con longitud de onda λ, la energía total a temperatura T está dada por: Curva de la energía total emitida.

“El área encerrada por cada curva representa la energía total emitida a esa temperatura, será proporcional a la cantidad de calor transmitida por unidad de superficie y unidad de tiempo”. Radiación incandescencia La energía radiante recibida por un cuerpo, en general puede dividirse en tres partes: la energía transmitida o programada por el cuerpo sin absorberla; la energía reflejada o difundida según las leyes de la óptica y la energía que el cuerpo absorbe.

“La cantidad de energía transmitida, reverberada o absorbida por un cuerpo, depende de la esencia del material, de la superficie y de la longitud de onda de la radiación. No existen cuerpos totalmente permeables o impermeables. Por ejemplo, el vidrio es permeable a las radiaciones visibles, pero absorbe las infrarrojas”. La existencia de un cuerpo que sea plenamente absorbente o sea un cuerpo que impregne todas las radiaciones que recibe. Un cuerpo teórico que cumple esta condición, se denomina cuerpo negro. 

El calor se puede transferir en tres modos diferentes: conducción, radiación y convección. Las diferentes maneras de ésta requieren la existencia de distintas temperaturas y todo ello ocurre desde el medio que posee la temperatura más elevada hacia uno de temperatura más baja, y la transferencia de calor se detiene cuando los dos medios alcanzan la misma temperatura. (Witt, 2000)

La Conducción Es un proceso en el cual emana el calor desde una región con temperatura desbordante o a otra de mínima temperatura dentro de un medio (sólido, líquido y gaseoso), o entre medios diferentes que estén en fricción física directa. La energía se transfiere por comunicación molecular sin desplazamiento apreciable de las moléculas. 

“Es el calor emitido por un cuerpo debido a su temperatura, en este caso no existe contacto entre los cuerpos, ni fluidos intermedios que puedan llevar el calor. Existe un cuerpo A (sólido o líquido) a una temperatura mayor que un cuerpo B entonces existirá una transferencia de calor por radiación de A a B”. Para que este fenómeno se de es necesario un cuerpo a una temperatura muy por encima ya que la transferencia térmica en este caso depende de la diferencia de temperaturas a la cuarta potencia: La convección.

Es un desarrollo de transporte de energía por la acción combinada de conducción de calor, almacenamiento de energía y movimiento de mezcla. Tiene gran repercusión como mecanismo de transferencia de energía entre una extensión sólida, líquido o gas. 

Conducción, Convección y Radiación

Ley de Stefan Boltzmann “Dicha ley manifiesta la densidad de energía radiante en el interior de una cavidad de cuerpo negro en términos de la temperatura T. Esta ley se puede conseguir a partir de deferencia termodinámica y establece que el poder emisivo total del cuerpo negro, por tanto, sin consideraciones de su distribución espectral, es una función de su cuarta potencia de la temperatura del cuerpo”.

Calor transmitido por radiación

Si el cuerpo 1 fuera gris y el 2 negro y circulara totalmente a 1, las cantidades de calor. 

• Calor emitido por 1  ϕ1 = e1 σs S1 T14
• El cuerpo 2 por ser negro no refleja radiación
• El cuerpo 1 absorbe de 2  ϕ2 = e1 σs S1 T24
• Calor transmitido: ϕ = ϕ1 – ϕ2 = e1 σs S1 ( T14 – T24 )
• Si t = T – 273,15  ϕ = αr S1 ( t1 – t2 )
• Dond αr = se denomina coeficiente de radiación.

Conclusiones

En el presente trabajo llegamos a la conclusión que la transferencia de calor por radiación hace posible la expresión matemática de un sentido que gobierna el curso de los acontecimientos físicos. Así como la transferencia por radiación dio la definición de la radiación, la Sus leyes como Boltzmann nos permiten comprender mejor el tema. Los enunciados tales como el de convección y la conducción nos describen el proceso y nos ayudan a ver las diferencias entre la radiación termodinámica.

Referencias

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3. HALLIDAY, R. Y. (1990). FISICA. CECSA.
4. Labat, J. C. (mayo de 2018). DISEÑO Y CÁCULO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR. Obtenido de https://repositorio.unican.es/xmlui/bitstream/handle/10902/13702/407960.pdf?sequence=1
5. Lardner, D. (1833). ‘The state in which a heated body, naturally incapable of emitting light, becomes luminous, is called a state of incandescence.’.
6. Maita, D. (27 de junio de 2013). introduccion a la radiacion.
7. Maita, D. ( 28 de mayo de 2015). Slideshare. Obtenido de https://es.slideshare.net/eduardobarreto2015/transferencia-de-calor-por-radiacin-1
8. Ondulatorio, M. (9 de octubre de 2010). TRansferencia de calor blog. Obtenido de http://tranferenciadecalor.blogspot.com/
9. Pringssheim, L. y. (1859). Distribucion espectral de la energía radiante. belgica.
10. Sanz, D. (3 de Abril de 2017). actitud ecologica. Obtenido de cosmos: https://actitudecologica.com/formas-de-transferencia-de-calor/
11. Zemansky, M. W. (1979). calor y termodinamica. AGUILAR S.A.
12. Tabla De Ilustraciones
13. TOC h z c ‘Ilustración’ Ilustración 1 Espectro de ondas electromagnéticas, adaptado de Alparone PAGEREF _Toc15425141 h viiiIlustración 2 Curva de la energía total emitida PAGEREF _Toc15425142 h ixIlustración 3 Conducción, Convección y Radiación PAGEREF _Toc15425143 h xiiIlustración 4 Calor Transmitido PAGEREF _Toc15425144 h xiii