¿Qué es la radiación?
¡Ah, radiación! ¡Correr! Eso parece ser lo que la gente piensa cuando se usa la palabra radiación. Pero la radiación tiene algunos significados diferentes en física. Existe el tipo de radiación radiactiva peligrosa, hecha de partículas alfa, partículas beta y rayos gamma, el tipo de radiación que nos dicen los cómics que te convertirá en Hulk o en algún otro superhéroe igualmente genial. Pero el sol también nos envía radiación. El otro significado más general de radiación es solo un tipo de onda electromagnética. La luz es radiación, el infrarrojo es radiación, los rayos gamma también, es cierto, pero no hay nada intrínsecamente peligroso en la radiación. Pero en esta lección, estamos hablando de la radiación como un tipo de transferencia de calor; los otros dos tipos de transferencia de calor son la conducción y la convección. Los objetos calientes emiten radiación infrarroja, que es solo otra parte del espectro electromagnético. Pero esa radiación infrarroja también transfiere calor lejos de ese objeto. Por eso hace calor cuando estás junto a una fogata. Por cierto, si pones la mano sobre una fogata, hace aún más calor porque entonces no solo tienes calor por radiación, sino también por convección, otro tipo de transferencia de calor. Entonces, la radiación es un tipo de transferencia de calor que viaja a través de ondas electromagnéticas. Debido a esto, la radiación no necesita medio (o material) y, por lo tanto, puede pasar por el vacío. Así es como el calor del Sol nos llega a la Tierra.
Ejemplo de radiación: matraz de vacío
Así que ya hemos hablado de las fogatas y la energía térmica del sol. Pero hay muchos ejemplos de radiación en el mundo real. Un frasco de vacío, o termo, utiliza nuestro conocimiento de la radiación (y la transferencia de calor en general) para mantener la sopa caliente. Todos sabemos que la luz rebota en los espejos, pero todas las ondas electromagnéticas tienden a rebotar en las superficies reflectantes. Entonces, la superficie reflejada de un matraz de vacío hace un gran trabajo al detener la pérdida de calor por radiación. Un matraz de vacío también detiene la conducción al tener una capa de vacío: la conducción necesita un material para viajar y la convección al tener una tapa aislante.
La ley de Stefan-Boltzmann
La ley de Stefan-Boltzmann nos da una forma de poner números a este concepto de radiación. Nos ayuda a calcular el calor transferido por radiación por segundo, medido en julios por segundo o vatios. La ley de Stefan-Boltzmann nos dice que esto es igual a la constante sigma de Stefan-Boltzmann, que es siempre el mismo número, multiplicado por la emisividad del objeto ( e ), que es un número que representa qué tan bien un objeto irradia calor, multiplicado por el área de la superficie del objeto ( A ) medida en metros al cuadrado, multiplicado por la temperatura del objeto ( T ) a la potencia 4, donde T se mide en Kelvin.
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Algunas cosas a tener en cuenta sobre esta ecuación. La constante de Stefan-Boltzmann es siempre 5,67 * 10 ^ -8. La emisividad de un objeto es un número entre cero y uno. Un radiador de energía perfecto tiene una emisividad de uno, y un reflector perfecto tiene una emisividad de cero. Las estrellas como el Sol tienen una emisividad extremadamente cercana a uno.
Ejemplo de cálculo
Bien, probemos con un ejemplo. Una bombilla emite calor por radiación y tiene una emisividad de 0,5. Si la temperatura del filamento de la bombilla es de 2500 K y el área de la superficie del filamento es de 0,0001 metros cuadrados, ¿cuánto calor se transfiere por radiación desde el filamento de la bombilla por segundo? (Recuerde que la constante de Stefan-Boltzmann es, como siempre, 5.67 * 10 ^ -8.) Para resolver esto, todo lo que tenemos que hacer es introducir números en la ley de Stefan-Boltzmann. El calor transferido por segundo es igual a la constante de Stefan-Boltzmann, 5.67 * 10 ^ -8, multiplicado por la emisividad del bulbo (0.5), multiplicado por el área de superficie (0.0001), multiplicado por la temperatura (2500), para el poder 4. Escriba todo eso en una calculadora y obtendrá 110,7 julios por segundo, o en otras palabras, 110,7 vatios.
¿Qué es la Ley de Stefan-Boltzmann?
Resumen de la lección
La radiación es un tipo de transferencia de calor que viaja a través de ondas electromagnéticas (principalmente infrarrojas). Debido a esto, la radiación no necesita medio (o material) y, por lo tanto, puede pasar por el vacío. Así es como el calor del Sol nos llega a la Tierra. También es la razón por la que hace tanto calor junto a una fogata. La radiación rebota en superficies espejadas o reflectantes, por lo que un vacío o termos tienen una superficie espejada, para evitar que la energía térmica se escape por radiación. La ley de Stefan-Boltzmann nos ayuda a calcular el calor transferido por radiación por segundo, medido en julios por segundo o vatios. Nos dice que es igual a la constante sigma de Stefan-Boltzmann, que siempre es 5.67 * 10 ^ -8, multiplicada por la emisividad del objeto ( e ), multiplicada por el área de la superficie del objeto ( A ) medida en metros al cuadrado. , multiplicado por la temperatura del objeto ( T ) a la potencia 4, donde T se mide en Kelvin. Un radiador de energía perfecto tiene una emisividad de uno, y un reflector perfecto tiene una emisividad de cero. Las estrellas como el Sol tienen una emisividad extremadamente cercana a uno. Sin radiación no obtendríamos calor del Sol y no podríamos sobrevivir en la Tierra. Si bien algunos tipos de radiación son peligrosos, en lo que respecta a la transferencia de calor, a menos que vuele demasiado cerca del Sol como Ícaro, no debería tener absolutamente nada de qué preocuparse.
Los resultados del aprendizaje
Una vez que haya revisado esta lección en video, podrá:
- Definir radiación
- Explica cómo el calor del Sol llega a la Tierra, cómo puedes sentir el calor de una fogata y por qué los termos tienen superficies reflectantes.
- Identificar la ley de Stefan-Boltzmann
- Calcule el calor transferido por radiación usando esta ley
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