Instituto Tecnológico de Mexicali

Ingeniería Química

Materia:

Laboratorio Integral I

Tema:

Práctica

Radiación: calor y emisividad

Integrantes:

Nombre del profesor

Norman Edilberto Rivera Pazos

Mexicali, B.C. a 8 de mayo de 2015

Aranda Sierra Claudia Janette

Castillo Tapia Lucero Abigail

Cruz Victorio Alejandro Joshua

De La Rocha León Ana Paulina

Guillén Carvajal Karen Michelle

Lozoya Chávez Fernanda Viridiana

Rubio Martínez José Luis

12490384

11490627

12490696

11490631

12940396

12490402

12490417

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Índice

Práctica

Título: “Radiación: calor y emisividad”

Objetivo 2

Introducción 2

Marco teórico 3

Definición de radiación 3

Definición de cuerpo negro y gris 3

Ley de Stefan-Boltzmann 3

Constante de Stefan-Boltzmann 4

Emisividad 4

Valores de emisividad de algunos materiales 5

Importancias del factor forma en la radiación 6

Aplicaciones de la radiación 6

Prototipo 7

Material, equipo y reactivos 7

Procedimiento 7

Cálculos y resultados 7

Análisis 8

Observaciones 10

Evidencias 10

Bibliografía 11

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Práctica XIII

Título:

“Radiación: calor y emisividad”

Objetivo:

Calcular el calor por radiación de forma directa e indirecta, así como la emisividad del objeto

caliente con el fin de compararlo con el valor teórico; gracias a un prototipo hecho.

Objetivos específicos:

Determinar el calor transmitido por conducción y convección con el fin de obtener el que es

por radiación.

Determinar el calor transmitido por radiación por valores teóricos y prácticos.

Determinar el coeficiente de emisividad del metal utilizado.

Introducción

La transmisión del calor a través de la radiación se caracteriza porque la energía se transporta

en forma de ondas electromagnéticas, que se propagan a la velocidad de la luz. El transporte

de energía por radiación se puede realizar entre superficies separadas por el vacío; así por

ejemplo, el Sol transmite energía a la Tierra por radiación a través del espacio que, una vez

interceptada por la Tierra, se transforma en otras fuentes de energía.

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 un material 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.

El estudio de la radiación térmica se basa en un modelo de radiador ideal, que recibe el nombre

de cuerpo negro, con el cual pueden compararse los radiadores reales. Si bien no existe ningún

cuerpo real que pueda identificarse con el cuerpo negro, en la práctica puede conseguirse una

aproximación satisfactoria mediante una esfera hueca, provista por un pequeño orificio, con las

paredes interiores pintadas de negro, además que a partir de experimentos han surgido

fórmulas para calcular el calor transferido por este mecanismo, de la cual se hablará en esta

práctica: La Ley de Stefan-Boltzmann.

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Marco teórico

Definición de radiación

La radiación es una emisión de energía generada o emitida por un

cuerpo, que viaja por algún medio o el vacío hasta ser absorbida por

otro cuerpo. Se puede propagar en forma de onda (radiación

electromagnética) o de partículas (radiación corpuscular). El calor

puede transferirse a través de este mecanismo, el cual se denomina

radiación térmica.

La radiación térmica consiste en un proceso en que la superficie de un

objeto irradia energía térmica en forma de ondas electromagnéticas.

Entre los ejemplos de este tipo radiación, tenemos a la radiación

infrarroja de un radiador o un calentador eléctrico. Esta radiación se genera cuando el calor del

movimiento de las partículas cargadas de un átomo se convierte en radiación electromagnética.

Todos los cuerpos a una temperatura por encima del 0 absoluto emiten radiación térmica. La

radiación es un fenómeno volumétrico y todos los sólidos, líquidos y gases emiten, absorben o

reflejan radiación en diversos grados.

Definición de cuerpo negro y cuerpo gris.

Cuerpo negro: Son aquellos que absorben toda la radiación que llega a ellos sin reflejarla, de tal

forma que solo emiten la correspondiente a su temperatura. Aunque tales cuerpos no existen, el

concepto resulta muy útil como un patrón para comparar capacidades de varias superficies para

absorber o emitir energía térmica. Su valor de emisividad es 1.

Cuerpo gris: Son aquellos cuerpos donde la transferencia de calor por ondas electromagnéticas

es constante ante la longitud de onda. Es un tipo de superficie no negra en el que el poder de

emisión es independiente de la longitud de onda de la radiación. Por lo que se puede asumir

que la transferencia de calor debido a la emisión no dependerá de la longitud de onda, siendo

ambos constante.

Ley de Stefan-Boltzmann

La intensidad de la energía que un objeto irradia depende básicamente de su temperatura

(absoluta). En especial, la radiación de energía en forma de calor está descripta por la Ley de

Stefan-Boltzmann, la cual matemáticamente se expresa de la siguiente manera:

Fig. 1 Ilustración de la radiación

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q ´´=σεΔT 4

Donde:

q ´´= flujo de calor transferido por unidad de área (w/m2).

σ = constante de Stefan-Boltzmann (5.67 x10-8 w/m2K4).

ε = emisividad del cuerpo.

ΔT = variación de temperaturas absolutas entre el ambiente y superficie del cuerpo (K).

Esta ecuación dice que cualquier superficie irradia calor proporcionalmente a la cuarta potencia

de su temperatura absoluta; aunque la emisión es independiente del medio exterior, la medida

de la energía radiante requiere de una temperatura de referencia, como puede ser la de otro

sistema que reciba la energía transferida, y así poder obtener a partir de esta referencia la

transferencia neta de energía radiante.

Constante de Stefan-Boltzmann

La constante de Stefan-Boltzmann, una constante física denotada por la letra griega σ , es la

constante de proporcionalidad de la ley de Stefan-Boltzmann. Esta tiene un valor de 5.67 x10-8

w/m2K4.

Emisividad

Un objeto que emite la máxima energía posible para su temperatura, se conoce como cuerpo

negro. Los cuerpos negros son superficies ideales de radiación infrarroja y los termómetros

infrarrojos son calibrados en términos de radiación de cuerpo negro. En la práctica no hay

materiales que sean emisores perfectos y las superficies tienden a emitir una energía algo

menor que la de un cuerpo negro, incluso a la misma temperatura.

El diagrama muestra porque los objetos no

son emisores perfectos de la energía

infrarroja. A medida que la energía se

dirige hacia la superficie, se refleja en

retroceso hacia el interior y no escapa

nunca en formas radiantes. A partir de este

ejemplo, puede verse que realmente solo se emite el 60% de la energía disponible. La

emisividad de un objeto es el cociente entre la energía emitida y aquella que emitiría si este

fuese cuerpo negro a la misma temperatura. La capacidad de un objeto de emitir radiación

Fig. 2 Diagrama de emisividad

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infrarroja depende de diversos factores, incluyendo, tipo de material, condición de superficie y

longitud de onda. De esta manera la emisividad se expresa como:

emisividad=radiacionemitida por uncuerpoauna temperatura(T )

radiacionemitida por uncuerpo negroaunatemperatura (T )

A los materiales se les asigna un valor de emisividad que varía entre 0 y 1,0. Un cuerpo negro,

por lo tanto, tiene una emisividad de 1,0 y un reflector perfecto tiene una emisividad de 0.

Material EmisividadAluminio, pulido .05

Aluminio, superficie rugosa .07Aluminio, muy oxidado .25

Placa de amianto .96Tela de amianto .78

Papel de amianto .94Pizarra de amianto .06

Latón, mate, deslustrado .22Latón, pulido .03

Bronce, poroso, basto .55Bronce, pulido .1

Hierro fundido, fundición esbozada .81Hierro fundido, pulido .21

Cobre, pulido .01Cobre, bruñido comercial .07

Cobre oxidado .65Cobre, negro oxidado .88

Oro, pulido .02Hierro, laminado en caliente .77

Hierro, oxidado .74Hierro, chapa galvanizada, bruñido .23Hierro, chapa galvanizada, oxidado .28

Hierro, brillante, grabado .16Hierro, forjado, pulido .28

Plomo, gris .28Plomo, oxidado .63

Plomo, rojo, en polvo .93Plomo, brillante .08Mercurio, puro .1

Níquel, en hierro fundido .05Níquel, puro pulido .05Platino, puro, pulido .08Acero, galvanizado .28Acero, muy oxidado .88

Acero, recién laminado .24Acero, superficie rugosa .96

Acero, rojo oxidado .69Acero, chapa, niquelado .11Acero, chapa, laminado .56

Estaño, bruñido .05Tungsteno .04Cinc chapa .2

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Valores de emisividad de algunos materiales

Importancias del factor forma en la radiación

Otras geometrías pueden implicar que una parte de la

radiación emitida por una de las superficies no sea

completamente absorbida por la restante, como se ve en el

esquema de la derecha. Es necesario definir un factor de

forma:

Fm,n=Potencia emisivademque llegaan

potencia emisivadem entodo el espacio

Aplicaciones de la radiación

Energía solar

La investigación actual respecto a la energía consiste es el desarrollo de métodos y tecnologías

más eficientes y baratas para transformar, transportar y almacenar la energía. En el caso

concreto de la energía solar, las características radiactivas de los materiales usados en los

colectores son de una importancia capital en la mejora de su rendimiento. Los colectores

absorben la energía del sol, con lo que interesa que su absortividad (y, por tanto, emisividad)

sea máxima en la región del espectro electromagnético ocupado por la radiación solar. A su

vez, el colector solar irradia y pierde energía, con lo que interesa que su emisividad sea mínima

en la región ocupada por su propio espectro.

Recubrimientos térmicos

Para ver el papel que juega la radiación térmica en los aislamientos basta con recurrir a los

invernaderos. Un invernadero funciona de forma muy similar a una placa solar: tiene una

emisividad selectiva que permite absorber el máximo de energía solar y emitir la menor posible,

teniendo en cuenta que el sol y las plantas del invernadero están a temperaturas muy

diferentes, con lo que emiten en regiones distintas del espectro electromagnético.

Pirometría

La pirometría es la medición de temperaturas mediante métodos ópticos. El pirómetro recibe

una señal electromagnética, lo que permite, conociendo la emisividad del material, deducir su

temperatura. La pirometría es una herramienta crucial en la industria pesada, donde las altas

temperaturas y complicadas disposiciones de máquinas y materiales hacen muy difícil la

utilización de termómetros convencionales, que requieren contacto directo con la muestra.

Fig. 3 No toda la energía radia por 1 es absorbida por 2.

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También es útil para medir la temperatura de objetos móviles, o en general de cualquier cuerpo

que presente dificultades de manejo. A menudo es también empleado en situaciones más

corrientes debido a su sencillez y alta funcionalidad.

Prototipo

Material, equipo y reactivos

Material y equipo Material a estudio

1 Caja de cartón Tubo de cobre1 Plástico Agua1 Aislante Fibra de vidrio2 Guantes1 Termómetro infrarrojo1 Regla1 Cronómetro1 Plancha1 Tijeras1 Termómetro1 Silicón o tape1 Soporte universal1 Pinzas1 Plancha

Procedimiento:

1. Limpiar los materiales a utilizar y ordenar el equipo.

2. Con la regla tomar la medida de la longitud del tubo así como el diámetro.

3. Colocar la fibra de vidrio alrededor del tubo con el fin de servir como aislante. 4. Medir la temperatura de los extremos y registrar.5. Prender la plancha a lo máximo.

6. Colocar el tubo en un soporte universal con su respectiva pinza.

7. Colocar uno de los extremos del tubo en la plancha.

8. Apagar al pasar 240 segundos con el cronómetro.

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9. Colocar el prototipo a un lado del tubo.

10. Quitar aislante del tubo.

11. Cerrar prototipo y colocar aislante por los orificios.

12. Colocar termómetro y esperar 30 segundos y tomar lectura.

13. Quitar pared y registrar temperatura del tubo, pared movible y pared estacionaria.

14. Esperar 240 segundos y tomar temperatura de tubo y pared estacionaria.

Cálculos y Resultados

Se considerará que el calor por conducción es el mismo al obtenido a la siguiente ecuación:

Q=mC p(T2−T1)

q=Qt

Recordando que el tiempo fue de 240 s.

M (kg)Cp (J /kg℃

)T 1 (℃) T 2 (℃)

∆T (℃

)Q (J) q (W )

Bronce 0.4306 385 258 80.4 177.6 29442.7056 122.67

Para calcular el calor por convección se utilizará la ley de enfriamiento de Newton

q=hA (T s−T ∞)

Donde se utiliza un h del aire promedio.

Cálculo de calor por radiación

1. Método indirecto 1

qcond=qconv+qrad

qrad=qcond−qconv

1.1 Método indirecto 2

qrad=qcond−qconv

qrad=kA (T1−T2)

dx−hA (T s−T ∞)

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K (

W /m℃)dx (m)

∆T (℃

)A(m2) qcod (W )

151 0.1085 177.6 0.00045239 111.815635

2. Método directo

qrad=FAεσ (T s4−T 0

4)

Considerando un factor de forma de F=1 y utilizando una constante de Stefan Boltzmann

teórico de σ=¿5.67 x10-8 w/m2K4

Nota: Es importante recordar que las temperaturas involucradas en la formula directa, por lo tanto de

radiación, son en grados Kelvin.

Cálculo de emisividad

Se utilizara el resultado obtenido del método indirecto para poder obtener el valor de

emisividad.

ε=qrad

FAσ (T s4−T0

4)

Valores obtenidos

Método qcond (W) qconv (W) qrad (W)

Indirecto 1 122.67794 4.66187217 118.0160678

Indirecto 2 111.815635 4.66187217 107.153763

Método ε σ T s T 0T s

4 T 04 qrad

Directo 0.55 5.67 x10-8335.15 302.15 1.2617E+10 8334708097 133.544*

Directo 0.55 5.67 x10-8335.15 302.15 1.2617E+10 8334708097 1.092

*Sin considerar el área.

Valor de emisividad

Método qrad T s4 T 0

4 ε

Indirecto 1 118.0160678 1.2617E+10 8334708097 0.486

Indirecto 2 107.153763 1.2617E+10 8334708097 0.461

Análisis

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Como podemos observar en el apartado de resultados, ya sea considerando el calor por

conducción con la fórmula de Fourier o de la manera tradicional, los valores de dicho valor son

muy parecidos y por lo tanto al mantener el valor del calor por convección en los dos casos, es

normal que se si obtuviera un valor parecido en el calor por radiación. Ahora bien, sí

comparamos los valores de radiación obtenidos directa e indirectamente, nos encontraremos

con una similitud, ocurriendo esto cuando no se considera el área. Posiblemente durante la

formulación y aplicación en la hoja de cálculo no era necesaria y por lo tanto se obtenía el valor

sin área. También que al ser tan reducida la distancia entre el tubo y la placa, el valor de

radiación sea mucho mayor; aunque en estos casos las implicaciones de sí que tipo de

transferencia es en realidad puede ser un poco difícil de predecir y por lo tanto se ha decidido

dejar los dos valores.

En cuanto a la obtención de la emisividad, teóricamente se dice que es de 0.55 y tanto del

método indirecto 1 como 2 se obtuvieron valores de emisividad lo bastante parecido, por lo cual

es una de las razones por las que podemos considerar al valor de radiación sin área como

valido ya que como se dijo en un principio, se parece al obtenido indirectamente.

El valor puede que no sea exacto pero se tienen que considerar las pérdidas por convección en

dos direcciones, y que esta misma no iba directamente a la placa de estudio. También las

pérdidas de calor al momento de trasladar el tubo al sistema cerrado, así como en los agujeros

del mismo. Algo que pudo haber ayudado a obtenerse dichos valores es que nuestro sistema

era como un cuerpo negro.

Observaciones

Obtener una temperatura constante.

Hacer el traslado del tubo lo más rápido posible pero sin enfriar.

Evidencias

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Bibliografías

Fuentes de libros

Incropera. (2000). “Fundamentos de Transferencia de Calor”. Ed. Pearson. 4ta edición.

Cengel, Yunus. (1996) “Termodinámica”. Ed. Mc Graw-Hill. 6ta edición.

Wark, K. Richards. (2001). “Termodinámica” Ed. Mc Graw-Hill. 6ta edición.

Koshkin (1975). “Manual de Física Elemental”. Ed. Mir.1ra edición.

Fuentes electrónicas

http://www.isotest.es/web/News/Tecnologias/Termografia/tabla%20de

%20emisividades.htm

http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/bk3/c13/Radiacion%20termica.pdf

http://www.ehu.eus/documents/3019013/3575588/radiacion+termica.pdf