Transporte de Energía UNAM: Introducción a la Radiación

La radiación consiste en la transmisión de calor en ausencia de materia. Por radiación nos llega la luz y el calor procedente del Sol, y es también la componente principal del calor que nos llega cuando nos calentamos junto a una hoguera o junto a una estufa eléctrica. La radiación está formada por ondas electromagnéticas diferentes, algunas de las cuáles son percibidas por el ojo y constituyen lo que llamamos luz visible, mientras que otras como las radiaciones infrarrojas y radiaciones ultravioletas no producen efectos sensoriales en el ojo humano. La radiación no es algo homogéneo sino que podemos considerarlo como la suma de muchas radiaciones diferentes.

Eso se pone de manifiesto claramente al observar que hay luces de diferentes colores: todas son radiación, pero la luz que produce la sensación de un color es diferente de la luz que produce la sensación de otro color. Desde un punto de vista científico se diferencia la luz de cada color por un número, que llamamos longitud de onda.

El mecanismo del transporte de energía por Radiación es cuantitativamente distinto al transporte de cantidad de movimiento en fluidos, de energía térmica, tanto por conducción en sólidos como por convección en fluidos, y de materia por difusión ordinaria.

Naturaleza de la Radiación

Maxwell propuso que esta forma de energía viaja como una vibración eléctrica y perturbación magnética a través del espacio en una dirección perpendicular a dicha perturbación.

En el diagrama, la oscilación eléctrica (rojo) y la oscilación magnética (azul) son perpendiculares (la eléctrica en el plano xy y la magnética en el xz), donde las ondas están viajando en dirección del eje x. Esta interpretación forma parte de la teoría electromagnética. Una descripción cualitativa es, al comunicarle energía a átomos o moléculas, algunos pasan a un “estado excitado” que espontáneamente tienden a retornar a estados de energía más bajos. Como consecuencia, se produce una emisión de energía en forma de radiación electromagnética, que puede deberse a variaciones de estados electrónico, vibracional y rotacional de aquellos átomos, distribuyéndose en un amplio intervalo de longitudes de onda. La Radiación Térmica representa una pequeña parte de todo el espectro de radiación electromagnética, aceptándose que por encima de 0 ºK la superficie de cualquier cuerpo emite energía radiante en todas direcciones y que, por encima del “calor rojo” (aprox. 550ºC), se vuelve muy importante.

Espectro de Radiación Electromagnética

En el diagrama se muestran las longitudes de onda (“wavelength”) y las frecuencias, con sus denominaciones más corrientes. La única región del espectro electromagnético que es sensible a nuestros ojos es el rango "visible" identificado aquí con los colores del arco iris.

Los distintos “tipos” de radiación se distinguen entre sí solamente por el intervalo de longitudes de onda que comprenden. A continuación se enumeran algunos mecanismos responsables de la radiación;

Rayos γ = desplazamiento de nucleones en el núcleo atómico.
Rayos x = desplazamiento de electrones interiores de un átomo.
UV y Visible = desplazamiento de los electrones exteriores de un átomo.
Infrarrojo próximo = vibraciones moleculares.
Infrarrojo Lejano = rotaciones moleculares.
Ondas de radio = corriente alterna que circula por un conductor eléctrico.

La Radiación Térmica corresponde a emisiones que se encuentran en longitudes de onda que van de 0,1 a 10 μ (10^-5 a 10^-3 cm). En el vacío, todas las formas de energía radiante se mueven con la velocidad de la luz, que se acepta es de c = 2,9979 x 10^10 cm/seg.

Por otra parte, la longitud de onda ( λ), que caracteriza a una onda electromagnética, se relaciona con la frecuencia (𝝻), de acuerdo a;

Sin embargo, algunos fenómenos no se pueden describir solamente con la teoría electromagnética, ya que falla en explicar la manera como la energía total emitida por una superficie se distribuye entre varias frecuencias y longitudes de onda, ó en interpretar el efecto fotoeléctrico. Max Planck planteó que la energía de las oscilaciones debe estar en forma de cuantos, dando lugar a la teoría corpuscular, estableciendo que la energía puede tomar cualquier valor pero debe cambiar por pasos o saltos discretos, debiendo ser el tamaño de cada paso (“quantum” o “cuanto”) proporcional a la frecuencia de oscilación. Es decir, a una onda electromagnética se la asocia a un fotón, partícula de carga cero y masa cero, cuya energía viene expresada por, donde h es la constante de Planck (h = 6,624 x 10^-27 erg.seg)

Se observará que a menor longitud de onda, mayor será la energía del fotón.

Así, por ejemplo, en una disminución de velocidad de rotación en una molécula, en general la energía desprendida es relativamente pequeña y la radiación se encuentra en el infrarrojo. Por el contrario, si un núcleo atómico pasa de un estado energético elevado a otro más bajo, se desprenden cantidades relativamente grandes de energía y la radiación emitida es x ó gamma.

A mayor temperatura, la energía radiante emitida tiende a longitudes de onda más corta (fotones de mayor energía), por lo tanto, el color se desplaza del rojo cereza al blanco.

Así, el sol emite a aproximadamente 5.500 ºC (con una distribución aproximada de 5% en el ultravioleta, 40% en el visible y 55% en el infrarrojo). En cambio, un filamento de tungsteno emite a unos 2.800 ºC, por lo que su espectro está desplazado hacia el rojo.

Por otra parte, en el proceso inverso, cuando la energía radiante incide sobre una superficie sólida, esta aumenta su temperatura porque se produce la absorción de energía, y los átomos o moléculas pasan a un estado de energía más elevado.

Cuerpo Negro

La "Radiación de cuerpo negro" o "radiación de cavidad" se refiere a un objeto o sistema que absorbe toda la radiación incidente sobre él, y re-irradia energía que es característica solamente de este sistema radiante, no dependiendo del tipo de radiación que incide sobre ella. La energía radiada puede considerarse que está producido por ondas estacionarias, o modos resonantes de la cavidad que está irradiando.

La cantidad de radiación emitida en un rango de frecuencia dado, debe ser proporcional al número de modos en ese rango. Lo mejor de la física clásica, sugería que todos los modos tenía la misma oportunidad de ser producido, y que el número de modos subiría proporcional al cuadrado de la frecuencia.

Sin embargo, el continuo aumento previsto en la energía radiada respecto de la frecuencia, (llamada "catástrofe ultravioleta") no ocurría así.

Absorción, Reflexión, Emisión

Cuando un rayo de energía radiante incide sobre una superficie de un sólido, puede ocurrir que sea reflejada por la superficie, absorbida por el objeto o transmitida a través del mismo, donde; q es la densidad de flujo de energía radiante (energía por unidad de área y tiempo); y los superíndices (i), (a), (r) y (t) corresponden respectivamente a la radiación, incidente, absorbida, reflejada y transmitida.

Para los cuerpos reales, todos deben ser inferiores a la unidad (< 1).

En general, los coeficientes dependen de la frecuencia de la radiación y del ángulo de incidencia o emisión, por lo que consideraremos que los mismos son iguales a cualquier frecuencia del espectro e independientes del ángulo en cuestión, y que no cambian tampoco con la temperatura.

Es decir, consideraremos que: