Introducción: Naturaleza de la radiación térmica

RADIACIÓN TÉRMICA: proceso mediante el cual un cuerpo emite energía radiante (ondas) en virtud de su temperatura (T > 0º K)

- Proceso de importancia a altas temperaturas: hornos, calderas, condensadores…- El estudio en este tema es de radiación pura, aunque también se dan convección y

conducción

CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN

- Se transmite mejor en el vacío que en un medio natural- La fuerza impulsora es (T1

4-T24)

TEORIA ONDA- CORPÚSCULO: a T > 0º K se produce la emisión de ondas electromagnéticas y tras esta emisión, las partículas pierden energía y temperaturaEstas ondas se transmiten, normalmente en el vacío, hasta que otro cuerpo recibe los fotones emitidos por el solido inicial.Suponiendo T2<T1 el segundo cuerpo aumenta su temperatura pero a la vez también esta emitiendo ondas debido a su T2equilibrio dinámicoSe alcanzará el equilibrio térmico cuando T1≈T2

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

La radiación térmica comprende una parte del UV, todo el visible y todo el infrarrojo

λ≈(1-106)nm

RADIACIÓN EMITIDA POR UN CUERPO

INTENSIDAD DE RADIACIÓN

Energía emitida por unidad de tiempo y unidad de superficie dentro del ángulo sólido dw (w/m2.sr)

I= caudalsupercie normal radial

= dQdA1dw·cosθ

Iλω: Intensidad de radiación direccional y monocromática (en la dirección ω ± ωd con λ ± dλ por unidad de A normal a la dirección de propagación)

Iω:Intensidad de radiación direccional y total (todas λ) (en la dirección ω ± ωd con cualquier λ por unidad de A normal a la dirección de propagación)

Emisión de radiación

PODER EMISOR: Radiación emitida por unidad de tiempo y unidad de superficie (w/m2) por una superficie emisora a T > 0º K. En todas las direcciones.

Superficie: el emisor

- Poder emisor monocromático hemiesférico: E λ

- Poder emisor total: E=∫0

∞

E λdλ

RELACIÓN ENTRE INTENSIDAD Y PODER EMISOR

Si este estudio se refiere a todo el espacio y no solo a un elemento diferencial:

CUERPO NEGRO superficie ideal

- Absorbe toda la radiación incidente, independientemente de la dirección y de la λ: absorbedor ideal (no refleja nada)

- Para una T y λ determinadas, no ha superficie alguna que pueda emitir mas energía que un cuerpo negro: emisor ideal (emisión máxima)

- Aunque la radiación de un cuerpo negro es una función de la λ y la T, es independiente de la dirección: emisor difuso (emite en todas las direcciones)

Ley de la distribución espectral de PLANCK

Ley de la distribución espectral de STEFAN-BOLTZMAN

En la gráfica, el máximo de potencia emitida por unidad de área se desplaza hacia longitudes de onda babas al aumentar la temperatura. Esto es conocido como la ley de desplazamiento de WIEN

T λmax=C3=2897,6μm·K

EMISIÓN EN BANDAS

Se estudia la fracción de la emisión total del cuerpo negro en un intervalo de λ: F (λ0λ2)

F0→λ=∫0

λ

ENλ dλ

∫0

∞

ENλ dλ

=∫0

λ

ENλ dλ

σ·T 4

SUPERFICIES REALES

Fracción de calor emitida respecto a la del cuerpo negro a la λ y T de trabajo

Distribución espectral

La emisión de un cuerpo real es menor que la del cuerpo negro y no es uniforme

Distribución direccional

El cuerpo real es no difuso y hay que tener en cuenta la dirección

Emisividad: ε=EEN

= poder emisor cuerpo realpoder emisor del cuerpo negro

(θ≤ ε≤1)

La emisividad cambia en función de la longitud de onda

Recepción de la radiación

La irradiación (radiación incidente) interactúa con un sólido semitransparente de forma que parte de ella:

- Se absorbefracción a- Se reflejafracción c- Se transmitefracción b

a+b+c=1

El cuerpo negro es un solido opaco: b=0 (a+c=1)Absorbedor ideal aN=1rN=0

aNλ=1rNλ=1

IrradiaciónG

- a,b,c totales hemiesféricas: G= a G+ r G+ t G- a,b,c monocromáticas hemiesféricas: Gλ= aλ Gλ+ rλ Gλ+ tλ Gλ

- a,b,c monocromáticas direccionales: Iλw= aλw Iλw+ rλw Iλw+ tλw Iλw

- a,b,c totales direccionales: Iw= aw Iw+ rw Iw+ tw Iw

RELACION ENTRE INTENSIDAD E IRRADIACION

Gλ=Eλ Gλ : irradiación espectral es la rapidez a la que la radiación de longitud de onda λ incide sobre una superficie por unidad de área

LEYES DE KIRCHOFF

Se aplican cuando interactúan un cuerpo negro y uno real

- el cuerpo negro emite y absorbe todo- el real emite y absorbe solo una parte

Equilibrio térmico: llega un momento en el que los dos cuerpos igualan su temperatura y no existe intercambio de calor aparente.

qNETO=0 aREN=ER aR=ER

EN

=εR

1ª Ley de Kirchoff: en el equilibrio térmico la emisividad de un cuerpo e igual a su absorbancia

SUPERFICIES GRISES

SUPERFICIES REALES

Presentan el fenómeno de la reflexión: proceso de redirección de la radiación incidente sobre una superficie

Debido a este fenómeno la variación de ε no es igual en un cuerpo real que un cuerpo negro

Solo si es monocromática

Solo si es monocromática y monodireccional

Son aquellas en las que las propiedades radiantes ελ y aλ no dependen de λ ε=ελ y a=aλ

Además si la radiación es difusa ελ=aλ por lo que no es necesario el equilibrio térmico para que se cumpa ε=a

Distribución espectral del cuerpo gris

- El cuerpo gris tiene menos emisividad que el cuerpo negro, ε<1, pero ε no depende de λ

- El cuerpo real tiene ε<εN pero ε=f(λ)

Grafica de reflectividad y absortitividad de distintos materiales

RADIACIÓN SOLAR

El espectro de la radiación solar se aproxima al de un cuerpo negro a 5800K

La radiación procedente del sol se dispersa, refleja y absorbe en la atmosfera, por lo que la irradiación de la superficie terrestre va a depender de la altura al nivel del mar y de la posición del sol en el cielo