Introducción a la transferencia de calor por radiación
Introducción
Bienvenidos a las última de la unidad de aprendizaje Transferencia de calor, en él revisaremos los fundamentos básicos del mecanismo de transferencia de calor por radiación. Partiremos del concepto de radiación y el por qué se transfiere energía de esta forma. A partir del modelo de Stefan-Boltzmann, mostraremos la importancia de un cuerpo negro y su relación con los sistemas que comúnmente se revisan. Inicialmente se ahondará sobre el parámetro de emisividad y el factor de vista (factor de visión o factor de forma). Con esto cerraremos el presente curso virtual.
Desarrollo del tema
Desarrollemos la siguiente idea, sabemos que la vida en la Tierra como la conocemos es posible gracias a diferentes factores, entre ellos la distancia a la que nos encontramos del Sol, pero te has preguntado alguna vez ¿por qué el Sol nos calienta si está tan lejos? Además, en el espacio exterior no hay ningún medio (sólido o fluido), como los que hemos estudiado, por el cual se pueda transferir el calor. Bueno, pues es aquí donde interviene el mecanismo de transferencia de calor por radiación.
Radiación. Es la energía térmica emitida por todos los cuerpos debido a su nivel energético, es decir, a la vibración y movimiento de las partículas, por ejemplo, una fogata nos emite de forma continua radiación térmica debido a su alto nivel energético comparado con nosotros y, a su vez, nosotros emitimos radiación térmica a un objeto que se encuentre a un nivel energético menor.
Es esencial saber que la radiación se propaga en forma de ondas electromagnéticas. La frecuencia con que estas ondas son emitidas está en función de su longitud (c) y la velocidad de propagación en el medio (v):
Así, a medida que se aumenta la longitud de onda o se disminuye la velocidad de propagación, se aumenta la frecuencia con que se emiten.
Para continuar con la idea imaginemos un cuarto sin ventanas ni iluminación en la noche más oscura del año, si te paras en la puerta de acceso ¿qué es lo que observas? Estoy seguro que tu respuesta será “absolutamente nada”. La razón por la que no observas nada es porque no hay ningún haz de luz que se refleje en las superficie del cuarto, y por ende tu visión no pude definir formas ni colores. Ahora imaginemos un día soleado y al cuarto pintado de color negro mate ¿qué es lo que observas? En realidad observamos lo mismo que en el primer caso, pero por diferente razón: la luz incidente sobre la superficie del cuarto sería completamente absorbida por el color negro. Lo que nos lleva a un concepto clave para la transferencia de calor por radiación: el cuerpo negro.
El cuerpo negro se caracteriza por emitir y absorber perfectamente las ondas electromagnéticas (radiación) a temperatura y longitud de onda específica, en otras palabras la eficiencia para transferir calor en un sistema de este tipo es del 100%. Cabe mencionar que el concepto de cuerpo negro es un puramente teórico y, por lo tanto, no existe un sistema real con esta característica.
Uno de los modelos de radiación más aceptados ha sido el modelo de Stefan-Boltzmann, el cual relaciona la energía emitida por un cuerpo negro como la relación entre una constante y la temperatura de este a la cuarta potencia, es decir:
Donde:
El Diagrama 1 muestra la energía emitida por un cuerpo negro en función de la longitud de onda de la radiación a diferente niveles de temperatura. Si lo observas la relación que existe entre la energía emitida y la longitud de onda a la que opera la radiación tiene un comportamiento peculiar: a bajas longitudes de onda se observa un incremento rápido de la energía emitida hasta alcanzar un punto máximo que depende de la temperatura a la que se encuentra el sistema. A partir de allí, la energía emitida se reduce a medida que se aumenta la longitud de onda, a una razón más lenta que a como se incrementó. Por otra parte, la energía máxima emitida se incrementa a medida que se incrementa la temperatura. Esta es la razón por la cual sentimos una mayor cantidad de energía térmica proveniente del Sol que de un cuerpo que opere a la misma longitud de onda.
Dentro de las aplicaciones ingenieriles, el punto que se requiere considerar es en el que se tiene la energía emitida más alta a una temperatura dada. Este punto máximo es expresado por la ley de desplazamiento de Wien como:
Esta ley presenta una característica importante: el producto de la longitud de onda por la temperatura siempre será una constante, solamente para la condición de punto máximo. Así, si la temperatura del sistema aumenta, la mayor cantidad de energía emitida será a longitudes de onda más pequeñas, esto si se compara con el caso en el que la temperatura disminuya. ¿Ahora queda claro el por qué los rayos ultravioleta emitidos por el Sol son más perjudiciales para el ser humano que los rayos infrarrojos emitidos por una fogata?
Pero ¿qué tiene que ver lo anterior con la transferencia de calor por radiación? ¿En donde está el punto de unión entre ambos conceptos? La unión está en que la transferencia de calor por radiación es la suma de todas las pequeñas cantidades de energía que emite un cuerpo a una temperatura constante, a lo largo de todo el espectro electromagnético, o sea, el área bajo la curva delimitada por la línea de temperatura. A partir de formulaciones matemáticas se ha demostrado que la transferencia de calor por radiación (área bajo la curva) está dada como:
donde ε es el factor correspondiente a la emisividad del sistema que emite calor, el cual depende de varios factores como la longitud de onda en la que opera, el tipo de acabado de la superficie, etc. Por otra parte, el FV es el factor de vista que tiene el sistema emisor con el sistema receptor.
La Tabla 1 muestra algunos factores de emisividad para diferentes materiales mientras que la Tabla 2 muestra diferentes factores de vista para diferentes arreglos entre la fuente y el receptor.
Fuente: (Çengel, 2007).
Por favor, te pido dar lectura al siguiente documento:
Para finalizar este tema, te pido visualices los siguientes videos:
Conclusión
La transferencia de calor por radiación es un mecanismo presente en todos los cuerpos y depende la longitud de onda y la temperatura a la que se encuentre el cuerpo emisor y el cuerpo receptor. El cuerpo negro es el cuerpo más eficiente para emitir y absorber calor por medio de radiación, cabe recordar que es un concepto teórico y que en la realidad ningún sistema presenta esta característica. El factor de forma es primordial para determinar cuánta de la energía emitida por una fuente es recibida por el emisor. Este mecanismo de transferencia de calor se puede sumar a los otros dos mecanismos estudiados en esta unidad de aprendizaje:
- Conducción (sólidos o líquidos en estado de reposo) en forma unidimensional o bidimensional, tanto en estado estacionario como en estado transitorio.
- Convección (fluido en movimiento interactuando con una superficie sólida) en estado estacionario, ya sea por medios naturales (cambio de densidad) o por medios forzados (mecanismos externos al movimiento natural del fluido). Recordemos que está ligado al régimen en el que opera el fluido (laminar o turbulento), así como la interacción que tiene con la superficie (flujo interno o flujo externo). Para este mecanismo, el uso de correlaciones basadas en el número de Nusselt reducen la complejidad del análisis.
Con esto concluimos la unidad de aprendizaje Transferencia de calor. Espero que haya sido de tu agrado.