UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS

ESPE

EXTENSION LATACUNGA

TRANSFERENCIA DE CALOR

ING. ALEX CEVALLOS

NOMBRE: CARLOS PEÑAFIEL HERNANDEZ

Radiación Térmica

Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a

su temperatura. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, siendo su

intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. 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.

La materia en un estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación

continuo. La frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una función de densidad

de probabilidad que depende solo de la temperatura.

Los cuerpos negros emiten radiación térmica con el mismo espectro correspondiente a su

temperatura, independientemente de los detalles de su composición. Para el caso de un

cuerpo negro, la función de densidad de probabilidad de la frecuencia de onda emitida

está dada por la ley de radiación térmica de Planck, la ley de Wien da la frecuencia de

radiación emitida más probable y la ley de Stefan-Boltzmann da el total de energía

emitida por unidad de tiempo y superficie emisora (esta energía depende de la cuarta

potencia de la temperatura absoluta).

A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado que por sí

mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se los ilumina, no

podemos verlos. A temperaturas más altas, vemos los cuerpos debido a la luz que emiten,

pues en este caso son luminosos por sí mismos. Así, es posible determinar la temperatura

de un cuerpo de acuerdo a su color, pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra

a altas temperaturas.

La relación entre la temperatura de un cuerpo y el espectro de frecuencias de su radiación

emitida se utiliza en los pirómetros.

Radiación Electromagnética

La radiación electromagnética es un tipo de campo electromagnético variable, es decir,

una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través

del espacio transportando energía de un lugar a otro.1 De hecho la radiación

electromagnética está formada íntegramente por ondas electromagnéticas.

La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras como calor

radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma. A diferencia de otros tipos de onda, como

el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética

se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia

indetectable, llamada éter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las

ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina

electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo.

Radiación con cuerpo negro

Consideremos una cavidad cuyas paredes están a una cierta temperatura. Los

átomos que componen las paredes están emitiendo radiación electromagnética y

al mismo tiempo absorben la radiación emitida por otros átomos de las paredes.

Cuando la radiación encerrada dentro de la cavidad alcanza el equilibrio con los

átomos de las paredes, la cantidad de energía que emiten los átomos en la unidad

de tiempo es igual a la que absorben. En consecuencia, la densidad de energía del

campo electromagnético existente en la cavidad es constante.

A cada frecuencia corresponde una densidad de energía que depende solamente

de la temperatura de las paredes y es independiente del material del que están

hechas.

Si se abre un pequeño agujero en el recipiente,

parte de la radiación se escapa y se puede analizar.

El agujero se ve muy brillante cuando el cuerpo

está a alta temperatura, y se ve completamente

negro a bajas temperaturas.

Históricamente, el nacimiento de la Mecánica Cuántica, se sitúa en el momento

en el que Max Panck explica el mecanismo que hace que los átomos radiantes

produzcan la distribución de energía observada. Max Planck sugirió en 1900 que

1. La radiación dentro de la cavidad está en equilibrio con los átomos de las

paredes que se comportan como osciladores armónicos de frecuencia

dada f .

2. Cada oscilador puede absorber o emitir energía de la radiación en una

cantidad proporcional a f. Cuando un oscilador absorbe o emite radiación

electromagnética, su energía aumenta o disminuye en una cantidad hf .

La segunda hipótesis de Planck, establece que la energía de los osciladores está

cuantizada. La energía de un oscilador de frecuencia f sólo puede tener ciertos

valores que son 0, hf , 2hf ,3hf ....nhf .

La distribución espectral de radiación es continua y tiene un máximo dependiente

de la temperatura. La distribución espectral se puede expresar en términos de la

longitud de onda o de la frecuencia de la radiación.

Ef /df es la densidad de energía por unidad de frecuencia para la frecuencia f de la

radiación contenida en una cavidad a la temperatura absoluta T. Su unidad es (J·m-

3)·s.

donde k es la constante de Boltzmann cuyo valor es k=1.3805·10-23 J/K.

dEl /dl es la densidad de energía por unidad de longitud de onda para la longitud

de onda l de la radiación contenida en una cavidad a la temperatura absoluta T. Su

unidad es (J·m-3)·m-1.

Bibliografía

Boltzmann, Ludwig (1986). Escritos de mecánica y termodinámica. Alianza

Editorial. ISBN 842060173X.

Pérez Cruz, Justo R. (2005). La Termodinámica de Galileo a Gibbs. Fundación

Canaria Orotava de Historia de la Ciencia. ISBN 978-84-609-7580-9.

Planck, Max (1990). Treatise on Thermodynamics. Dover Publications. ISBN

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Zemansky, Mark W. (1985). «Calor y termodinámica». Madrid: McGraw-Hill.

ISBN 84-85240-85-5.

Callen, Herbert B. (1985). «Thermodynamics and an Introduction to

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Reif, Federick (1985). «Fundamentals of Statistical and Thermal Physics».

McGraw-Hill.