Práctica No.4 Radiación Térmica

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&   Algunas veces nos hemos preguntado cómo es posible que la luz y el calor del sol llegue a la tierra pasando por el espacio vacío que hay entre el sol y la tierra, o por qué la ropa negra (oscura) es más calurosa que la ropa blanca (clara). También hemos observado que a temperaturas ordinarias, los cuerpos se ven por la luz que reflejan, sin embargo, a temperaturas altas es posible verlos brillar en cuartos oscuros. Cabría preguntar ¿La radiación térmica emitida por un cuerpo depende de su temperatura? Estas actividades pretenden introducirnos al estudio de la radiación térmica y dar respuesta a estas preguntas y otras similares.    
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%6" $   Para el estudio de la radiación y de la absorción térmica en dependencia con la temperatura, el color y la estructura de la superficie. Cuerpo hueco de cobre para ser llenado de agua caliente. Con una apertura para insertar un termómetro o un sensor de temperatura. Una superficie pulida, cada una de las siguientes barnizadas en blanco, negro y mate. Dimensiones en mm (LxAnxAl): 100 x 100 x 100, Masa: aprox. 300g.  "$$ . 8 Este sensor mide la intensidad de la radiación térmica que incide sobre su abertura. La radiación incidente depende de la que emiten los cuerpos delante del sensor. El elemento sensible es una termopila miniatura que genera una tensión de salida que es proporcional a la intensidad de la radiación. La respuesta espectral comprende desde 0,5 a 40 ȝm y tiene una tensión de salida entre 1 mV y unos 100 mV, de modo que un milivoltímetro digital es adecuado para la realización de las medidas.





%9:" también denominado polímetro, tester o multitester, es un instrumento eléctrico portátil para medir directamente magnitudes eléctricas activas como corrientes y potenciales (tensiones) o pasivas como resistencias, capacidades y otras. Las medidas pueden realizarse para corriente continua o alterna y en varios márgenes de medida cada una. Utilizado para medir la resistencia del termistor y la radiación emitida por el cubo de Leslie.   :  $  $ " Fue utilizada para realizar la actividad número cinco (5) su propósito fue identificar la radiación emitida por el cubo de Leslie mientras esta lamina de vidrio se colocaba entre el cubo y el sensor de radiación.







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&  $ . 8 5: . Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos con temperatura superior a 0 K 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 densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura. "; $$$$ . 8 Cuando una superficie conserva constantes sus propiedades direccionales se denominan superficie difusa. Al igual que una radiación que tenga igual intensidad en todas direcciones se denomina radiación difusa, como las emitiría un cuerpo negro.

‘o obstante, es frecuente que superficies reales varían sus coeficientes en función de la dirección. Así, por ejemplo, las superficies de materiales metálicos conductores aumentan su emisividad para valores altos de q . Por el contrario las superficies no metálicas, como las normales en los cerramientos, suelen tener una emisividad direccional bastante constante, salvo para valores muy elevados de q en que se reduce. ‘o obstante hay que considerar en ambos casos que, si bien las intensidades para ángulos rasantes se desvían del promedio, el flujo total queda poco afectado porque la ley del coseno minimiza la radiaciones para ángulos polares próximos a 90º, por lo que en la práctica se suelen considerar dichas superficies como emisoras difusas. Conviene que se mencionen los tipos de distribución de la intensidad de la energía reflejada, que depende del tratamiento de la superficie. Un caso límite son las superficies especulares, que reflejan la radiación con igual inclinación que la radiación incidente, como ocurre con las superficies pulidas. El otro caso límite son las superficies reflectoras difusas, que distribuyen de forma homogénea la energía reflejada con independencia del ángulo de la radiación incidente. Los casos reales suelen ser una combinación o variación de estos casos límites, siendo habitual en las superficies no metálicas que para valores elevados de Q, al disminuir la emisividad y por tanto la absortividad direccional, aumente la reflectancia direccional y por ello también la energía reflejada, si bien para este estudio se consideren en general todas las superficies normales de los cerramientos como reflectoras difusas por analogía y simplicidad. Un .%;"" es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. ‘ada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su nombre, el cuerpo negro emite luz y constituye un modelo ideal físico para el estudio de la emisión de radiación electromagnética. El nombre Cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862. La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro. Todo cuerpo emite energía en forma de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuando más elevada es la temperatura del emisor. La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda superiores a las de la luz visible (es decir, de menor frecuencia). Al elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que siguen la ley de Planck. Llamaremos %;" " a aquel que para cualquier longitud de onda tiene un poder absorbente integral igual a la unidad (š
), lo que quiere decir

que a cualquier temperatura absorbe totalmente la luz, cualquiera que sea su composición.

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La superficie de un cuerpo negro es un caso límite, en el que toda la energía incidente desde el exterior es absorbida, y toda la energía incidente desde el interior es emitida.

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V
V  
VV
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V VVVV V  V VV

Sin embargo, un cuerpo negro se puede sustituir con gran aproximación por una cavidad con una pequeña abertura. La energía radiante incidente a través de la abertura, es absorbida por las paredes en múltiples reflexiones y solamente una mínima proporción escapa (se refleja) a través de la abertura. Podemos por tanto decir, que toda la energía incidente es absorbida. V

V

$ . 8$.%;"" 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. V V
V

V
 VV VV VV V VVV  VVV VVV   VV VVVV
V 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. V

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 .

Los : " son resistores térmicamente sensibles, existen dos tipos de termistores según la variación de la resistencia/coeficiente de temperatura, pueden ser negativos (‘TC) o positivos (PTC).

Son fabricados a partir de los óxidos de metales de transición (manganeso, cobalto, cobre y níquel) los termistores ‘TC son semiconductores dependientes de la temperatura. Operan en un rango de -200º C a + 1000° C. Un termistor ‘TC debe elegirse cuando es necesario un cambio continuo de la resistencia en una amplia gama de temperaturas. Ofrecen estabilidad mecánica, térmica y eléctrica, junto con un alto grado de sensibilidad.

 $ . 8 ";%.%La radiación de partículas es la radiación de energía por medio de partículas subatómicas moviéndose a gran velocidad. A la radiación de partículas se la denomina haz de partículas si las partículas se mueven en la misma dirección, similar a un haz de luz. Debido a la dualidad onda-partícula, todas las partículas que se mueven también tienen carácter ondulatorio. Las partículas de mayor energía muestran con más facilidad características de las partículas, mientras que las partículas de menor energía muestran con más facilidad características de onda.

  
 & : " ' Se tienen dos tazas, una negra y una blanca, ambas están llenas con agua caliente. ¿Cuál de las dos se enfría primero? Argumente su respuesta.

Antes

Después

La taza negra tiende a absorber mas Se enfriara primero la taza negra, ya calor por cuanto la taza blanca se que esta absorberá el calor del agua enfriaría primero. caliente y lo irradiaría hacia el exterior. Ocasionando que la taza se caliente emitiendo así el calor hacia el ambiente. : ", Se tienen dos superficies de aluminio, una pulida y una pintada de negro, se colocan formando un plano inclinado y en la parte superior se pega un poco de mantequilla, ¿en cuál lamina resbalará primero la mantequilla si ambas están recibiendo la misma cantidad de calor?

Antes

Después

La mantequilla resbalara primero en la superficie negra, ya que esta absorbería más calor, gracias a este calor resbalaría primero en esta superficie de aluminio.

La superficie de contacto por ser negra absorbería más calor y la mantequilla se resbalaría más rápido. En la de aluminio solo reflejaría el sol.

: " 3 ¿Por qué nos abrigamos en los lugares donde la temperatura ambiente es baja? Argumente su respuesta.

Antes

Después

‘uestro cuerpo debe tener una temperatura estándar que al estar en un lugar frio, es necesario estar en un equilibrio con esta temperatura estándar. Esto se produciría gracias al uso de un abrigo o manta abrigada.

El cuerpo está en constante emanación de calor, al estar en un lugar donde está ausente el calor (un lugar frio) es necesario crear una barrera adiabática que no permita que el calor del cuerpo se pierda.

 

 . ! $$ ' Disponen de dos recipientes, uno completamente negro y otro completamente blanco. Diseñe una experiencia que permita contrastar el argumento dado en el planteamiento 1. Tabulen los resultados y realicen graficas. Saquen todas las conclusiones que puedan. Primeramente escogimos dos tazas pequeñas, una negra y otra blanca. Ambas de mismas dimensiones, Luego pasamos a llenarlas con agua caliente a una cantidad considerable de calor. Poco a poco al pasar cada 5minutos introducíamos una pequeña vara de metal en cada una de las tazas para verificar su cantidad de calor. Al pasar 10minutos notamos que el agua de la taza negra estaba un poco menos caliente que la blanca y al paso de 15minutos, notamos que el agua de la taza negra ya no estaba caliente sino a temperatura ambiente cuando la taza blanca aun se sentía tibia. Este experimento demostró que la taza negra emitió el calor hacia el exterior en contrario a la blanca que más bien lo mantuvo. Estando en correcto orden con respecto a lo acordado en el planteamiento numero uno (1).

. ! $$ , Realicen el experimento del planteamiento 2. ¿En cuál recipiente resbala primero la mantequilla? Den explicaciones científicas. Saquen conclusiones. . ! $$3 Construyan una caja de cartulina blanca o fórmica blanca, que cierre completamente, haga un pequeño orificio en una de sus caras. Cierre completamente la caja y observe su interior a través del orificio. ¿Cómo observa el interior de la caja? ¿Qué creen que ocurriría si el orificio fuera más grande? Expliquen con detalle. En un principio notamos que la caja estaba hecha de color negro en el exterior y blanca en su interior, tenía varia tapas de diferentes agujeros con distintos tamaños, desde el más grande al más pequeño. En la primera fase (Agujero más pequeño) notamos que a pesar que la caja estaba hecha totalmente de formica blanca no se observaba nada sino oscuridad. En la segunda fase y tercera fase (Tamaños más grandes en ese orden) tampoco se observaba ningún tipo de cambio es decir adentro parecía que todo estuviera negro (oscuro). ‘o fue sino hasta quitar otra tapa cuando se comenzó a destacar el color blanco de la formica. Esto se vio a un tamaño considerable del agujero. Creemos que esto sucedió, ya que la luz del exterior no podía atravesar la caja ya que está estaba toda negra, ocurriendo que el color negro (por definición un .%;"" es un objeto ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él) absorbiera toda la luz ya que no se observaba nada más que oscuridad. . ! $$4 Conecte el cubo de radiación térmica (Cubo de Leslie), el ohmímetro y el milivoltímetro como se muestra en la figura:

Enciendan el cubo de radiación y colóquenlo en HIGH, estén pendientes de la lectura del ohmímetro hasta que la resistencia baje a 40kȍ cuando esto ocurra baje la perilla a 5 y déjenla allí hasta que la lectura del ohmímetro se estabilice. Luego coloquen el sensor en contacto con el cubo en cada una de sus caras:

negra, blanca, aluminio pulido y aluminio opaco, y anoten las lecturas del milivoltímetro en cada caso, Tabulen los resultados. Midan y registren la resistencia del termistor (Busquen la Definición) y encuentra la temperatura equivalente a esa resistencia (Esto lo hacen usando la tabla que esta sobre el cubo, en la cual se presentan equivalencias entre resistencia y temperatura). Incrementen la potencia colocando la perilla en 8 y luego en HIGH. En cada caso esperen que la lectura del ohmímetro se estabilice y repitan las mediciones del milivoltaje del sensor colocándolo sobre cada una de las caras del cubo de radiación. Tabulen estos resultados. $.$%$.$.%$"$ . 8:  $& Para una resistencia de 24,4kȍ, estando la perilla a 5.  ‘egra

: 5

:;% 58°C

Blanca

4,9

58°C

Aluminio Opaco Aluminio Pulido

2

58°C

0,5

58°C

Para una resistencia de 6,7kȍ, estando la perilla a 8.  ‘egra

: 11,7

:;% 94°C

Blanca

11,6

94°C

Aluminio Opaco Aluminio Pulido

4,2

94°C

0,7

94°C

Para una resistencia de 5,2kȍ, estando la perilla en HIGH.  ‘egra

: 14,7

:;% 102°C

Blanca

13,7

102°C

Aluminio Opaco Aluminio Pulido

4

102C

0,9

102C

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