Transferência de calor de radiação (com exemplos)

O transferência de calor por radiação Consiste em fluxo de energia através de ondas eletromagnéticas. Como essas ondas podem se mover pelo vácuo na velocidade da luz, elas também podem transmitir calor.

Ondas eletromagnéticas têm comprimentos de onda contínuos, chamados espectro E isso vai dos comprimentos de onda mais longos e menos energéticos, para o mais curto e com maior energia.

Entre eles está a radiação infravermelha, uma faixa perto da faixa de comprimento de onda visível, mas abaixo dela. Dessa maneira, grandes quantidades de calor do sol chegam à terra, atravessando milhões de quilômetros.

Pero no solamente los objetos incandescentes como el Sol emiten calor en forma de radiación, en realidad cualquier objeto lo hace continuamente, solo que cuando la temperatura es baja, la longitud de onda es grande y por consiguiente la energía, que es inversamente proporcional a ella , é pequena.

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Como o calor é transmitido por radiação?

Caras de brasas transmitem calor por radiação

Os elétrons vibram, emitem ondas eletromagnéticas. Se as ondas são baixa frequência, é equivalente a dizer que seu comprimento de onda é longo e o movimento das ondas é lento, portanto tem pouca energia. Mas se a frequência aumentar, a onda se move mais rapidamente e tem mais energia.

Um objeto com alguma temperatura T emite radiação com frequência F, de maneira que T e F Eles são proporcionais. E como as ondas eletromagnéticas não precisam de um meio de material para se espalhar, os fótons infravermelhos, responsáveis ​​por espalhar a radiação, podem ser movidos sem um problema nulo.

É assim que a radiação do sol chega à Terra e dos outros planetas. No entanto, com a distância, as ondas são atenuadas e a quantidade de calor diminui.

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Lei de Stefan e Lei de Wien

O Lei Stefan afirma que o poder poderia⁴, De acordo com a expressão:

P =PARAσeT⁴

Nas unidades de sistema internacional, o poder vem em Watts (W) e a temperatura em Kelvin (K). Nesta equação, a é a área de superfície do objeto, σ É constante de Stefan - Boltzman, que vale 5.66963 x10^-8 W/m² K⁴,

Finalmente e é o Emisividade  qualquer Emitir do objeto, um valor numérico sem unidades, entre 0 e 1. O valor é dado de acordo com o material, já que os corpos muito escuros têm alta emissividade, bastante oposto de um espelho.

Fontes de radiação, como o filamento de uma lâmpada ou o sol, emitem radiação em muitos comprimentos de onda. O sol está quase todo na região visível do espectro eletromagnético.

Entre o comprimento de onda máximo λ_Máx E a temperatura do emissor T é um relacionamento dado pela lei de Wien:

λ_Máx ∙ T = 2.898 . 10 ^-3 M⋅k

A radiação de um corpo negro

A figura a seguir mostra curvas de emissão de energia, dependendo da temperatura em Kelvin, para um objeto ideal que absorve toda a radiação que a afeta e, por sua vez, é um emissor perfeito. Este objeto é chamado Corpo negro.

Distribuição do comprimento de onda para várias temperaturas. Fonte: Wikimedia Commons.

Os espaços entre as brasas das brasas em um forno se comportam como emissores de radiação ideais, do tipo de corpo negro, com abordagem suficiente. Inúmeras experiências foram feitas para determinar as diferentes curvas de temperatura e suas respectivas distribuições de comprimento de onda.

Como pode ser visto, a uma temperatura mais alta, menor é o comprimento de onda, maior a frequência e a radiação têm mais energia.

Supondo que o sol se comporte como um corpo negro, entre as curvas mostradas na figura, a mais próxima da temperatura da superfície solar é a de 5500 K. Seu pico é encontrado no comprimento de onda de 500 nm (nanômetros).

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A temperatura da superfície solar é de aproximadamente 5700 K. Da lei de Wien:

λ_Máx = 2.898 × ​​10 ^-3 M⋅K / 5700 K = 508, 4 nm

Este resultado é aproximadamente consistente com o observado nos gráficos. Esse comprimento de onda pertence à região visível do espectro, no entanto, deve -se enfatizar que apenas o pico de distribuição representa. Na verdade, o sol irradia a maior parte de sua energia entre os comprimentos de onda do infravermelho, o espectro visível e o ultravioleta.

Exemplos transferência de calor por radiação

Todos os objetos, sem exceção, emitem alguma forma de calor por radiação, no entanto, alguns são emissores muito mais notáveis:

Cozinhas elétricas, torradeiras e aquecimento elétrico

A cozinha é um bom lugar para estudar os mecanismos de transferência de calor, por exemplo, a radiação pode ser vista se aproximando (cuidadosamente) a mão para o pão elétrico que brilha com brilho laranja. Ou também para as grades de uma grelha para assar.

Os elementos resistentes do aquecedor, as torradeiras e os fornos elétricos também são aquecidos e adquirem um brilho laranja, também transmitindo calor por radiação.

Lâmpadas incandescentes

O filamento das lâmpadas incandescentes atinge altas temperaturas, entre 1200 e 2500 ºC, emitindo energia distribuída em radiação infravermelha (a maioria) e luz visível, laranja ou amarela.

O sol

O sol transmite calor por radiação para a terra, através do espaço que os separa. De fato, a radiação é o mecanismo de transferência de calor mais importante em quase todas as estrelas, embora outras, como convecção, também desempenhem um papel importante.

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A fonte de energia dentro do sol é o reator de fusão termonuclear no núcleo, que libera grandes quantidades de energia através da conversão de hidrogênio em hélio. Boa parte dessa energia está em luz visível, mas, como explicado anteriormente, os comprimentos de onda do ultravioleta e do infravermelho também são importantes.

A terra

O Planet Earth também é um emissor de radiação, embora não tenha um reator em seu centro, como o sol.

As emissões terrestres são devidas à deterioração radioativa de vários minerais dentro, como urânio e rádio. É por isso que o interior das minas profundas é sempre quente, embora essa energia térmica seja uma frequência mais baixa do que o sol emitido.

Como a atmosfera da terra é seletiva com os diferentes comprimentos de onda, o calor do sol atinge a superfície sem problemas, pois a atmosfera permite que as principais frequências passem.

No entanto, a atmosfera é opaca antes da menor radiação infravermelha de energia, como a produzida na Terra devido a causas naturais e pela mão humana. Em outras palavras, não deixa escapar para fora e, portanto, contribui para o aquecimento global do planeta.

Referências

1. Giambattista, a. 2010. Física. 2º. Ed. McGraw Hill.
2. Giancoli, d.  2006. Física: Princípios com aplicações. 6º. Ed Prentice Hall.
3. Hewitt, Paul. 2012. Ciência física conceitual. 5 ª. Ed. Pearson.
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5. Serway, r., Jewett, J. 2008. Física para Ciência e Engenharia. Volume 1. 7º. Ed. Cengage Learning.
6. Tiptens, p. 2011. Física: conceitos e aplicações. 7ª edição. McGraw Hill.