La radiación del cuerpo negro

cuerpo negro

1. La radiación del 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 .

¿Qué es un cuerpo negro?
Es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre
el. Nada 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 de física para el estudio de la
emisión de radiación electromagnética.
¿Qué es un cuerpo gris?
Es aquel que refleja la mitad de la luz que le llega, la mitad de la radiación es reflejada y la otra
es absorbida.

2. El espectro electromagnético (o simplemente espectro) es el rango de todas las radiaciones
electromagnéticas posibles. El espectro de un objeto es la distribución característica de la
radiación electromagnética de ese objeto.

El espectro electromagnético se extiende desde las bajas frecuencias usadas para la radio
moderna (extremo de la onda larga) hasta los rayos gamma (extremo de la onda corta), que
cubren longitudes de onda de entre miles de kilómetros y la fracción del tamaño de un átomo.
Se piensa que el límite de la longitud de onda corta está en las cercanías de la longitud Planck,
mientras que el límite de la longitud de onda larga es el tamaño del universo mismo, aunque
en principio el espectro sea infinito y continuo.


Tipos de radiación
Rayos gamma
Rayos X
Luz ultravioleta
Radiación visible (luz)
Radiación infrarroja
Rayos T
Microondas
Radiofrecuencia

Las propiedades superficiales de los materiales pueden afectar de manera significativa su
desempeño térmico, por lo que es necesario tomarlas en cuenta en el momento de su elección.
Esto es especialmente importante para los materiales que conforman las capas externas de los
cerramientos.

3. La absortancia, representa en sí la fracción de radiación incidente que es absorbida por un
material, con valores que van de 0.0 a 1.0 (aunque también se puede expresar en términos de
porcentaje, de 0% a 100%). La absortancia, en ocasiones denominada absorción superficial,
depende fundamentalmente del color y el acabado de los materiales.
La absortancia puede ser establecida en relación con radiaciones de diferentes longitudes de
onda. Debido a ello es común encontrar tres formas distintas de
absortancia: solar, visible y térmica:
La forma más común se refiere a la absortancia solar, la cual incluye el espectro visible, el
infrarrojo y el ultravioleta. Este parámetro generalmente se usa para estimar la forma en que
la radiación solar afecta el balance térmico de las superficies (exteriores e interiores) de los
elementos constructivos. En la tabla incluida abajo se indican los valores de absortancia solar
de algunos materiales constructivos.
Otro parámetro se refiere a la absortancia visible. Esta representa la fracción de la radiación
visible incidente que es absorbida por un material. En ese sentido el rango de longitudes de
onda considerado es mucho más estrecho que en el caso de la de radiación solar, ya que no se
incluye el espectro infrarrojo ni el ultravioleta. Este parámetro también afecta el balance
térmico superficial, aunque generalmente se emplea en los cálculos de iluminación.
Un tercer valor es el de la absortancia térmica, el cual se puede considerar un parámetro
equivalente a la emitancia. La absortancia térmica representa la fracción de la radiación
incidente de onda larga (longitudes de onda infrarrojas) que es absorbida por un material.
Este parámetro afecta el balance térmico superficial, pero suele usarse para calcular los
intercambios de radiación de onda larga entre varias superficies. Al igual que en los casos
anteriores, los valores de la absortancia térmica van de 0.0 a 1.0, donde 1.0 representa las
condiciones de un cuerpo negro ideal, el cual absorbería (y emitiría) toda la radiación de onda
larga incidente.

La reflectancia se refiere al valor porcentual de la energía radiante que es reflejada por un
material, del total de energía radiante que golpea su superficie. Por ejemplo el ALUMINIO,
posee un índice de emitancia de 0.03 (3%), lo cual indica que su reflectancia o capacidad de
reflejar calor radiante es de 0.97 (97%).
La emisividad es la medición de la capacidad de un objeto para emitir energía infrarroja.
Cuando más caliente es un objeto, mas energía infrarroja emitirá. La emisividad puede tener
un valor de 0(espejo brillante, reflector perfecto) a 1,0(radiador de Planck, emisor
perfecto).La mayoría de las superficies orgánicas, pintadas u oxidadas tienen valores de
emisividad cercanos a 0,95. Si vas a realizar inspecciones cualitativas, deje la emisividad fijada
a entre 0,9 y 1. Si necesita medir valores reales de temperatura, fije el valor de emisividad
según la del material del objeto que vaya a medir. Si lo que necesita es precisión, tendrá que
buscar el valor de la emisividad del material antes de tomar la medición.

4. La transmitancia se define como la cantidad de energía que atraviesa un cuerpo en
determinada cantidad de tiempo.
Existen varios tipos de transmitancia, dependiendo de qué tipo de energía consideremos.
Podemos hablar de transmitancia térmica como la cantidad de energía en forma de calor que
atraviesa un cuerpo, en cierta unidad de tiempo. Si tenemos en cuenta un cuerpo con caras
planas y paralelas, y entre sus caras hay una diferencia térmica, esta diferencia constituye la
transmitancia térmica del cuerpo. La transmitancia térmica es el inverso de la resistencia
térmica. Se puede definir según la siguiente fórmula:


En esta expresión tenemos que
U = transmitancia en W/m2. Kelvin
S = superficie del cuerpo en m
2.
K = diferencia de temperaturas en grados Kelvin.

El concepto de este tipo de transmitancia es aplicado en los cálculos para construir
aislamientos térmicos y para calcular pérdidas de energía en forma de calor.

Factor de forma.

Para determinar el intercambio de calor por radiación entre superficies hay que determinar la
distribución de la radiación emitida por cada superficie y que llega a las otras, que se
denomina factor de forma, también llamado factor de configuración o de ángulo. El factor de
forma desde una superficie i a una superficie j, Fij, se define como la fracción de la radiación
emitida por la superficie i que incide sobre la superficie j, o en otras palabras, es interceptada
por j.

Bibliografía:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/negro/radiacion/radiacion.htm
http://andresiead.blogspot.mx/2009/02/cuerpo-negro-blanco-y-gris-en-fisica.html
http://www.espectrometria.com/espectro_electromagntico
http://www.sol-arq.com/index.php/caracteristicas-materiales/caracteristicas-superficiales
http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/transmitancia-y-absorbancia
http://editorial.dca.ulpgc.es/ftp/ambiente/antesol/TESIS/Cap2.pdf