Radiación

TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN

1. Introducción.
El calor está definido como la forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo demayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.
La transferencia de calor puede realizarse mediante conducción, convección o radiación, que pueden presentarse también de forma simultánea, aunque normalmente alguno de estos mecanismos predomina sobre los otros. El ejemplo más común que se conoce comotransferencia de calor por radiación es la energía que proporciona el Sol sobre todo lo que existe en la superficie terrestre.
2. Definición.
La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas (o fotones), como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. En lo que respecta a la transferencia de calor es de interés laradiación térmica o forma de radiación emitida por los cuerpos debido a su temperatura. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagnético.
Todos los cuerpos a una temperatura por encima del 0 absolutoemiten radiación térmica. La radiación es un fenómeno volumétrico y todos los sólidos, líquidos y gases emiten, absorben o reflejan radiación en diversos grados. Sin embargo la radiación térmica 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 la radiación emitida por las regiones interiores de unmaterial de este tipo nunca puede llegar a la superficie y la radiación incidente sobres esos cuerpos suele absorberse en unas cuantas micras hacia dentro en dichos sólidos.
A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no necesita un medio de transmisión y puede ocurrir en el vacío. La transferencia de calor por radiación es la más rápida, a la velocidad de la luz. No sufreatenuación en el vacío.



3. Ley de Stefan-Boltzmann.
En 1879, Josef Stefan obtuvo la relación entre la potencia de radiación y la temperatura a partir de datos experimentales y cinco años más tarde, Ludwig Boltzmann obtuvo la relación teórica a partir de los datos del experimento de Stefan.
La ley de Stefan-Boltzmann establece que un cuerpo negro emite radiación térmica con una potenciaemisiva superficial (W/m²) proporcional a la cuarta potencia de su temperatura:

Donde Te es la temperatura efectiva o sea la temperatura absoluta de la superficie y sigma es la constante de Stefan-Boltzmann:

Esta potencia emisiva de un cuerpo negro (o radiador ideal) supone un límite superior para la potencia emitida por los cuerpos reales.
La potencia emisiva superficial de una superficie reales menor que el de un cuerpo negro a la misma temperatura y está dada por:

Donde epsilon (ε) es una propiedad radiactiva de la superficie denominada emisividad. Con valores en el rango 0 ≤ ε ≤ 1, esta propiedad es la relación entre la radiación emitida por una superficie real y la emitida por el cuerpo negro a la misma temperatura:

Esto depende marcadamente del material de la superficie y desu acabado, de la longitud de onda, y de la temperatura de la superficie. Un cuerpo negro, por consiguiente, tiene un coeficiente ε = 1, mientras que en un objeto real, ε siempre se mantiene menor a 1.
La ley de Stefan-Boltzmann deriva de la ley de Wien, cuya principal ecuación sirve para determinar la máxima longitud de onda:

correspondiente a cuerpos negros.
Con el uso de esta ley y sus...