Transferencia de Calor por Radiación

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Luis Miguel Pérez Peña
hace 7 años
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1 INSTITUTO TECNOLÓGICO de Durango Transferencia de Calor por Radiación Dr. Carlos Francisco Cruz Fierro Revisión jun-12 1

2 INTRODUCCIÓN A LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA 2

3 Dualidad de la Luz La radiación electromagnética presenta ambos comportamientos: onda y partícula Como onda Interferencia Difracción Refracción Dispersión Como partícula Cuantización de la luz Efecto fotoeléctrico Momento lineal Dualidad también se observa en electrones y otras partículas subatómicas (e, n 0, 2+, etcétera)

4 LA LUZ COMO ONDA 4

5 Onda Electromagnética Oscilaciones de un dipolo eléctrico crean campos eléctrico y magnético variables que se propagan a la velocidad de la luz La longitud de onda l es la distancia que existe entre dos crestas sucesivas de la onda 5

6 Onda Electromagnética Velocidad de la luz en el vacío (constante ) c / m s Relación entre longitud de onda y frecuencia c l Número de onda (cm 1, empleado en áreas especializadas) l 1 cm

7 Espectro Electromagnético

8 Interferencia Cuando dos ondas se encuentran se suman sus amplitudes

9 Interferencia Ondas fuera de fase: Interferencia destructiva Ondas en fase: Interferencia constructiva

10 Frentes de onda Cuando se tiene una fuente puntual, las ondas de luz que se alejan tienen forma de esferas centradas en la fuente frente esférico de luz Lejos de la fuente, la curvatura de las ondas esféricas es despreciable frente plano de luz

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11 Difracción Es la desviación de un frente de ondas plano al encontrarse con un obstáculo o ranura

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12 Difracción Si la abertura es pequeña, el frente formado es similar a un frente esférico Principio de Huygens-Fresnel Cada punto en un frente de onda se puede considerar como el origen de un nuevo frente esférico de ondas

13 Patrones de Difracción (Interferencia)

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14 Refracción Cambio de dirección de la luz al entrar en un medio diferente Misma frecuencia pero diferente longitud de onda diferente velocidad de la luz En cualquier material, la luz viaja más lentamente que en el vacío

15 Índice de Refracción Es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un material n c v Depende del tipo de material y su densidad Para fines prácticos n aire jun-12

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16 Ley de Snell Relación entre el índice de refracción de los dos materiales y los ángulos del rayo incidente y el rayo refractado con la normal sen sen n n v v

17 Dispersión de la Luz

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18 Dispersión de la Luz Diferente índice de refracción para diferentes longitudes de onda Permite separar la luz blanca en un espectro

19 Más Rápido que la Luz? Nada puede viajar más rápido que la luz en el vacío (Einstein) Algunas partículas pueden viajar más rápido que la luz en un medio material pero pierden energía rápidamente hasta que viajan a una velocidad menor que la luz en ese medio La radiación luminosa producida se llama Radiación de Čerenkov

20 Radiación de Čerenkov Observada en reactores nucleares, causada por neutrones de alta energía que viajan más rápido que la luz en el agua alrededor del reactor

21 LA LUZ COMO PARTÍCULA 24

22 Cuantización de la Energía del Fotón La cantidad mínima de energía que se puede intercambiar como radiación es el cuanto de luz, también llamado fotón La energía del fotón es E = h donde h es la constante de Plank h = J s 25

Efecto Fotoeléctrico Algunos materiales emiten electrones al recibir luz de cierta longitud de onda La energía cinética de estos fotoelectrones: no aumenta al aumentar la

23 Efecto Fotoeléctrico Algunos materiales emiten electrones al recibir luz de cierta longitud de onda La energía cinética de estos fotoelectrones: no aumenta al aumentar la intensidad de la luz sí aumenta al disminuir la longitud de onda (luz de mayor frecuencia) Albert Einstein recibió el Nobel de Física en 1921 por su explicación del efecto fotoeléctrico 26

24 Momento Lineal de la Luz Un fotón no tiene masa, pero su energía E = h tiene un equivalente de acuerdo a E = mc² Un fotón de frecuencia lleva consigo una cantidad de movimiento (momentum) lineal dado por p mc h c 27

25 Presión de Radiación Si un fotón es absorbido por una superficie, le transfiere todo su momentum Por conservación de momentum, esta absorción equivale a una fuerza ejercida por el fotón contra la superficie La fuerza dividida entre el área se conoce como presión de radiación 28

26 Presión de Radiación Para una superficie absorbente, la presión de radiación del Sol a la distancia de la Tierra es 4.6 µpa Si la superficie es reflejante, la presión de radiación es el doble (9.2 µpa) porque la superficie debe proporcionarle al fotón un momentum en la dirección opuesta 29

27 Velas Solares 30

28 RADIACIÓN DE CUERPO NEGRO 32

29 Interacción de la Luz con la Materia La radiación que llega a un cuerpo puede ser: reflejada transmitida absorbida 33

Cuerpo Negro Un cuerpo negro es aquél que absorbe absolutamente toda la radiación que recibe (no refleja ni transmite nada), por lo que es un absorbedor

30 Cuerpo Negro Un cuerpo negro es aquél que absorbe absolutamente toda la radiación que recibe (no refleja ni transmite nada), por lo que es un absorbedor perfecto El cuerpo negro también emite radiación en todas las direcciones, con una intensidad dada por la ley de Plank, por lo que es un emisor perfecto 34

31 Ley de Plank La mecánica clásica predecía que un cuerpo negro emitiría más energía en longitudes de onda cortas ( catástrofe ultravioleta ) Plank demostró que la cantidad de energía que irradia un cuerpo negro, en un intervalo de longitud de onda de l a l + dl, es: q e 2 hc b, l hc/ l T e l

32 Ley de Plank 36

33 Ley del Desplazamiento de Wien Al aumentar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida, también disminuye la longitud de onda a la que se emite la máxima cantidad de energía El producto de la longitud de onda en el punto de máxima intensidad por la temperatura absoluta es una constante: lmaxt [ cm K] 37

Ley de Stefan-Boltzmann Al integrar la Ley de Plank con respecto a la longitud de onda (de cero a infinito) se obtiene que la cantidad total de energía que

34 Ley de Stefan-Boltzmann Al integrar la Ley de Plank con respecto a la longitud de onda (de cero a infinito) se obtiene que la cantidad total de energía que emite un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta: q e 4 b st s = W/m 2 K 4 (constante de Stefan-Boltzmann) 38

35 Cuerpos Grises y Cuerpos Reales Un cuerpo gris es un cuerpo que tiene una distribución de energía similar a la de un cuerpo negro, pero emite en una proporción menor Está caracterizado por una emisividad que puede tomar valores entre cero y uno Generalmente se emplea como aproximación para un cuerpo real, que emite radiación en una distribución más irregular 39

36 Cuerpos Grises y Cuerpos Reales 40

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