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Introducción
En este trabajo estaremos hablado de la transferencia de
calor por radiación, que se refiere la transferencia por medios
de ondas electromagnéticas, de las diferentes leyes que nos
explican los fenómenos de transferencia de calor entre
cualquier objeto y el ambiente que lo rodea, todos los objetos
emiten energía radiante, cualquiera sea su temperatura. Los
objetos ideales que absorben toda la radiación que llega a su
superficie y su emisividad es igual a uno llamados cuerpos
negros y de otros que se asemejan más a la realidad llamados
cuerpos grises, así como de la propiedades que estos cuerpos
presentan como emisividad, absortividad, reflectividad y de
cómo se ve afectada la transferencia de calor de acuerdo con
las superficies de los cuerpos.
Autor: Davinson Maita
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Transferencia de calor por radiación
Es la transferencia de calor por medio de ondas
electromagnéticas. No se requiere de un medio para su
propagación. La energía irradiada se mueve a la velocidad de
la luz. El calor irradiado por el Sol se puede intercambiar entre
la superficie solar y la superficie de la Tierra sin calentar el
espacio de transición.
La radiación térmica es energía emitida por la materia que
se encuentra a una temperatura dada, se produce
directamente desde la fuente hacia afuera en todas las
direcciones.
A diferencia de la conducción y la convección, o de otros
tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio
material para propagarse, la radiación electromagnética es
independiente de la materia para su propagación, de hecho,
la transferencia de energía por radiación es más efectiva en el
vacío. Sin embargo, la velocidad, intensidad y dirección de su
flujo de energía se ven influidos por la presencia de materia.
Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario
e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. La
longitud de onda (λ) y la frecuencia (ν) de las ondas
electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión λν =
c, son importantes para determinar su energía, su visibilidad,
su poder de penetración y otras características.
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Independientemente de su frecuencia y longitud de onda,
todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío
con una rapidez constante c = 299792 km/s.
Espectro de radiación
Atendiendo a su longitud de onda, la radiación
electromagnética recibe diferentes nombres, y varía desde los
energéticos rayos gamma, con una longitud de onda muy
corta del orden de picómetros (frecuencias muy altas) hasta
las ondas de radio con longitudes de onda muy largas del
orden de kilómetros (frecuencias muy bajas), pasando por la
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luz visible, cuya longitud de onda está en el rango de las
décimas de micrómetro. El rango completo de longitudes de
onda es lo que se denomina el espectro electromagnético,
que se muestra en la figura. Esta variación es porque las
fuentes que producen las ondas son completamente
diferentes. El espectro electromagnético no tiene definidos
límites superior ni inferior. La luz, llamada también luz visible o
luz blanca, es uno de los componentes del espectro
electromagnético, y se define como aquella parte del espectro
de radiación que puede percibir la sensibilidad del ojo
humano. La luz visible es un minúsculo intervalo que va desde
la longitud de onda correspondiente al color violeta
(aproximadamente 400 nm) hasta la longitud de onda
correspondiente al color rojo (aproximadamente
700 nm).
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La radiación del Sol es emitida en todas las longitudes de
onda, pero tiene un máximo en la región de luz visible. La luz
visible está compuesta por varios colores, que cuando se
mezclan forman la luz blanca. Cada uno de los colores tiene
una longitud de onda específica, con límites entre 0.4 y 0.7
μm. Considerando desde las longitudes de onda más cortas a
las más largas, los diferentes colores tienen los valores
centrales de longitudes de onda que se indican en la tabla.
Estos colores están dentro de un rango de longitudes de onda,
por ejemplo el violeta esta en el rango entre 0.4 y 0.45 μm.
Son los colores que forman el arcoiris. En sus extremos se
tienen el ultravioleta y el infrarrojo. La mayor cantidad de
energía radiante del Sol se concentra en el rango de
longitudes de onda del visible y visible cercano del espectro,
con las siguientes proporciones: luz visible 43%, infrarrojo
cercano 49%, ultravioleta 7%, y el 1% restante en otros
rangos.
Colores del espectro visible y sus extremos.
Penetración de la radiación electromagnética.
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Cuando la frecuencia es inferior a la frecuencia de la
radiación ultravioleta, los fotones no tienen suficiente energía
para romper enlaces atómicos. Se dice entonces que la
radiación es radiación no ionizante. A partir de los rayos
ultravioleta, vienen los Rayos X y los Rayos gamma, muy
energéticos y capaces de romper moléculas, dicha radiación
se denomina radiación ionizante. La radiación
electromagnética reacciona de manera desigual en función de
su frecuencia y del material con el que entra en contacto. El
nivel de penetración de la radiación electromagnética es
inversamente proporcional a su frecuencia. Cuando la
radiación electromagnética es de baja frecuencia, atraviesa
limpiamente las barreras a su paso. Cuando la radiación
electromagnética es de alta frecuencia reacciona más con los
materiales que tiene a su paso. En función de la frecuencia,
las ondas electromagnéticas pueden no atravesar medios
conductores. Esta es la razón por la cual las transmisiones de
radio no funcionan bajo el mar y los teléfonos móviles se
queden sin cobertura dentro de una caja de metal. Sin
embargo, como la energía ni se crea ni se destruye, sino que
se transforma, cuando una onda electromagnética choca con
un conductor pueden suceder dos cosas. La primera es que se
transformen en calor: este efecto tiene aplicación en los
hornos de microondas. La segunda es que se reflejen en la
superficie del conductor (como en un espejo).
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Poder de penetración de la radiación.
La radiación de partículas también puede ser ionizante si
tiene suficiente energía. Algunos ejemplos de radiación de
partículas son los rayos cósmicos, los rayos alfa o los rayos
beta. Los rayos cósmicos son chorros de núcleos cargados
positivamente, en su mayoría núcleos de hidrógeno
(protones). Los rayos cósmicos también pueden estar
formados por electrones, rayos gamma, piones y muones. Los
rayos alfa son chorros de núcleos de helio positivamente
cargados, generalmente procedentes de materiales
radiactivos. Los rayos beta son corrientes de electrones,
también procedentes de fuentes radiactivas. La radiación
ionizante tiene propiedades penetrantes, importantes en el
estudio y utilización de materiales radiactivos. Los rayos alfa
de origen natural son frenados por un par de hojas de papel o
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unos guantes de goma. Los rayos beta son detenidos por unos
pocos centímetros de madera. Los rayos gamma y los rayos X,
según sus energías, exigen un blindaje grueso de material
pesado como hierro, plomo u hormigón, como se muestra en
la figura. También existe la radiación mecánica, que
corresponde a ondas que sólo se transmiten a través de la
materia, como las ondas de sonido.
Leyes de radiación.
Ley de Stefan.
Todos los objetos emiten energía radiante, cualquiera sea
su temperatura, por ejemplo el Sol, la Tierra, la atmósfera, los
Polos, las personas, etc. La energía radiada por el Sol a diario
afecta nuestra existencia en diferentes formas. Esta influye en
la temperatura promedio de la tierra, las corrientes oceánicas,
la agricultura, el comportamiento de la lluvia, etc. Considerar
la transferencia de radiación por una superficie de área A, que
se encuentra a una temperatura T. La radiación que emite la
superficie, se produce a partir de la energía térmica de la
materia limitada por la superficie. La rapidez a la cual se
libera energía se llama potencia de radiación H, su valor es
proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta.
Esto se conoce como la ley de Stefan:
H=εσAT 4 (1)
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Donde σ=5.67 x10−8W /(m2 K4) se llama constante de Stefan-
Boltzmann y ε es una propiedad radiactiva de la superficie
llamada emisividad, sus valores varían en el rango 0 < ε < 1,
es una medida de la eficiencia con que la superficie emite
energía radiante, depende del material.
Un cuerpo emite energía radiante con una rapidez dada
por la ecuación 1, pero al mismo tiempo absorbe radiación; si
esto no ocurriera, el cuerpo en algún momento irradiaría toda
su energía y su temperatura llegaría al cero absoluto. La
energía que un cuerpo absorbe proviene de sus alrededores,
los cuales también emiten energía radiante. Si un cuerpo se
encuentra a temperatura T y el ambiente a una temperatura
To, la energía neta ganada o perdida por segundo como
resultado de la radiación es:
H neta=εσA (T 4−T 04)
Cuando el cuerpo está en equilibrio con los alrededores,
irradia y absorbe la misma cantidad de energía, por lo tanto
su temperatura permanece constante. Cuando el cuerpo está
más caliente que el ambiente, irradia más energía de la que
absorbe, y por lo tanto se enfría.
Un absorbedor perfecto se llama cuerpo negro (no
significa que sea de color negro), que se define como un
objeto ideal que absorbe toda la radiación que llega a su
superficie y su emisividad es igual a uno. No se conoce ningún
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objeto así, aunque una superficie de negro de carbono puede
llegar a absorber aproximadamente un 97% de la radiación
incidente. El Sol, la Tierra, la nieve, etc. bajo ciertas
condiciones se comportan como un cuerpo negro. En teoría,
un cuerpo negro sería también un emisor perfecto de
radiación, y emitiría a cualquier temperatura la máxima
cantidad de energía disponible. A una temperatura dada,
emitiría una cantidad definida de energía en cada longitud de
onda. En contraste, un cuerpo cuya emisividad sea igual a
cero, no absorbe la energía incidente sobre el, sino que la
refleja toda, es un reflector perfecto.
Los cuerpos con emisividades entre 0 y 1 se llaman
cuerpos grises, son los objetos reales. De esta forma,
definimos un cuerpo gris como aquel cuya emisividad es
constante ante la longitud de onda. . A raíz del fracaso
de los intentos de calcular la radiación de un cuerpo negro
ideal según la física clásica, se desarrollaron por primera vez
los conceptos básicos de la teoría cuántica. Una buena
aproximación de un cuerpo negro es el interior de un objeto
hueco, como se muestra en la figura. La naturaleza de la
radiación emitida por un cuerpo hueco a través de un
pequeño agujero sólo depende de la temperatura de las
paredes de la cavidad.
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Representación de un cuerpo negro.
Ejemplo: Una carretera de superficie ennegrecida a una
temperatura de 320 K recibe energía radiante del Sol por un
valor de 700 W/m2. Calcular la radiación neta ganada por cada
m2 de la superficie de la carretera.
Solución: la energía que emite la superficie de la carretera
es:
H = εσAT4
H = 1*5.67x10-8 W
m2k 4A(320k )4⇒ H
A=594,5 W
m2
Como del Sol recibe 700 W/m2, la radiación neta es:
HAneta=700−594.5=105.5 W
m2
Ley de Wien.
La figura muestra la curva típica de la intensidad de
radiación de un cuerpo negro en función de la longitud de
onda de la radiación emitida, para diferentes valores de
temperatura indicados como frío, templado y cálido. De
acuerdo a la teoría cuántica, se encuentra que los cuerpos a
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una temperatura determinada, emiten radiación con un valor
máximo para una longitud de onda λ dada. Al aumentar la
temperatura de un cuerpo negro, la cantidad de energía que
emite se incrementa. También, al subir la temperatura, el
máximo de la distribución de energía se desplaza hacia las
longitudes de onda más cortas. Se encontró que este
corrimiento obedece a la siguiente relación, llamada ley del
desplazamiento de Wien:
λmaxT = 2897
donde λmax es la longitud de onda que corresponde al
máximo de la curva de radiación, en μm, y T es la
temperatura absoluta del objeto que emite la radiación. La ley
de Wien afirma que para la radiación de un cuerpo negro la
longitud de onda de máxima emisión es inversamente
proporcional a la temperatura absoluta. Con esta ley se
demuestra que la emisión de radiación de la superficie
terrestre tiene un máximo en cerca de 9.9 μm, que
corresponde a la región infrarroja del espectro. También
muestra que la temperatura del Sol, si el máximo de emisión
de radiación solar ocurre en 0.474 μm, es del orden de 6110
K.
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Intensidad de radiación de un cuerpo negro
Ley de Planck.
Los objetos con mayor temperatura radian más energía
total por unidad de área que los objetos más fríos. Por ejemplo
el Sol con una temperatura media de 6000 K en su superficie,
emite 1.6x105 (6000/300)4 veces más energía que la Tierra
con una temperatura media en superficie de 289 K = 16º C.
Por definición, un cuerpo negro es un absorbedor perfecto.
Este también emite la máxima cantidad de energía a una
temperatura dada. La cantidad de energía emitida por un
cuerpo negro está únicamente determinada por su
temperatura y su valor lo da la Ley de Planck. En 1900, Max
Planck, descubrió una fórmula para la radiación de cuerpo
negro en todas las longitudes de onda. La función empírica
propuesta por Planck afirma que la intensidad de radiación
I(λ,T), esto es, la energía por unidad de tiempo por unidad de
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área emitida en un intervalo de longitud de onda, por un
cuerpo negro a la temperatura absoluta T, está dada por:
I ( λ ,T )=2πhc2 λ−5
ech /kλT−1
donde I(λ,T) es la densidad de flujo de energía por unidad
de longitud de onda, en W/(m2μm), h es la constante de
Planck, y k es la constante de Boltzmann, de valor k = 1.38 x
10-23 J/K. El gráfico de la función I(λ,T) para diferentes valores
de temperatura absoluta, se muestra en la figura.
Gráfico de la función I(λ,T) de la ley de Planck.
Ley de Kirchhoff
La ley de Kirchhoff establece que: Si un cuerpo (o
superficie) está en equilibrio termodinámico con su entorno,
su emisividad es igual a su absorbencia (α = ε)
Existen los siguientes corolarios de la Ley de Kirchhoff:
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Esta ley puede resumirse como: un mal reflector es
un buen emisor, y un buen reflector es un mal
emisor.
La emisividad no puede ser mayor a uno (ε < = 1).
pues esto es imposible, por la conservación de la
energía, por lo que no es posible térmicamente
irradiar más energía que un cuerpo negro, en
equilibrio.
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Cuerpo Negro
Si practicamos un pequeño orificio, como se muestra en la
figura de Representación de un cuerpo negro, la radiación
que él penetre se absorberá en parte y, en parte, se reflejará.
La fracción reflejada incidirá sobre otra zona de la superficie
interna y también se absorberá y reflejará en parte, y así
sucesivamente.
Por consiguiente, nada o prácticamente nada, de la
radiación incidente se escapará por el orificio por el que
penetró, por lo que el plano del orifico se comporta como un
cuerpo negro perfecto con respecto a la radiación que incide
sobre él.
Emite una cantidad de energía radiante de su superficie
Qr, dada por la ecuación:
Qr=σ . A .T 4=A .Eb
en la que Eb es el poder emisivo del radiador, viniendo
expresado el calor radiante Qr en W, la temperatura T de la
superficie en °K, y la constante dimensional s de Stefan-
Boltzman.
La ecuación anterior dice que toda superficie negra irradia
calor proporcionalmente a la cuarta potenciade su
temperatura absoluta. Aunque la emisión es independiente de
las condiciones de los alrededores, la evaluación de una
transferencia neta de energía radiante requiere una diferencia
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en la temperatura superficial de dos o más cuerpos entre los
cuales tiene lugar el intercambio.
Si un cuerpo negro a T1 (ºK) irradia calor a un recinto que
le rodea completamente y cuya superficie es también negra a
T2 (ºK), es decir, absorbe toda la energía radiante que incide
sobre él, la transferencia de energía radiante viene dada por:
Qr=σ . A1 . (T14−T 2
4)
Si los dos cuerpos negros tienen entre sí una determinada
relación geométrica, que se determina mediante un factor de
forma F, el calor radiante transferido entre ellos es:
Qr=Q1↔2=σ . A1 .F12 .(T14−T 2
4)
Los cuerpos reales no cumplen las especificaciones de un
radiador ideal, sino que emiten radiación con un ritmo inferior
al de los cuerpos negros.
Si a una temperatura igual a la de un cuerpo negro emiten
una fracción constante de la energía que emitirían
considerados como cuerpo negro para cada longitud de onda,
se llaman cuerpos grises.
Cuerpo Gris
Llamamos "cuerpo gris" a un tipo especial de superficie no
negra en el que el poder emisivo monocromático es
independiente de la longitud de onda de la radiación emitida,
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en el que Wl y Wn le dan el mismo cociente para todas las
longitudes de onda de las radiaciones emitidas a la misma
temperatura.
Esta definición de cuerpo gris no elimina la posibilidad de
que el poder emisivo dependa de la temperatura de la
superficie emisora. Las características de superficie gris la
poseen en grado bastante elevado ciertos materiales, como la
pizarra, etc. Además, empleando el valormedio del poder
emisivo tomado a lo largo de toda la banda de longitudes de
onda es posible representar una superficie no gris como si lo
fuera.
Representaremos con el símbolo e sin subíndice el poder
emisivo de una superficie gris, y al considerar que depende
sólo de la temperatura del emisor, la emitancia de una
superficie gris es la siguiente:
W = e Wn
W = esT4
El suponer que el poder es independiente de la longitud
de onda de la emisión determina que la curva de distribución
de la emitancia monocromática (Wl en función de l) para un
cuerpo gris pueda ajustarse a la de una superficie
absolutamente negra a la misma temperatura, sin que se
registre un desplazamiento del máximo de la curva, tal como
se indica en la figura.
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Se incluye también en la figura mencionada una curva
típica de la emitancia de una superficie no gris. La variación
del poder emisivo con la longitud de onda es evidente en este
caso.
Emite radiación según la expresión:
Qr=ε . A .EB=ε . σ . A .T 4
El calor radiante neto transferido por un cuerpo gris a la
temperatura Tl a un cuerpo negro que le rodea a la
temperatura T2 es:
Qr=ε1 . A1 . (Eb1−Eb2 )=ε1 . σ . A1(T 14−T2
4)
La emitancia de la superficie gris, igual a la relación
entre la . Siendo emisión de la superficie gris y la emisión de
un radiador perfecto a la misma temperatura. El hecho de que
la transferencia de calor dependa de T4 complica los cálculos.
El Factor de Forma.
F12 fracción de la energía emitida por S1 que es
interceptada por S2
F21 fracción de la energía emitida por S2 que es
interceptada por S1
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Balance radiante (superficies negras): el calor neto q12
que deja S1 hacia S2 es:
q1→2=F12 A1 Eb ,1
q2→1=F21 A1 Eb , 2
q12≡q1→2−q2→1=F12 A1Eb ,1−F21A1 Eb ,2
Si T1 = T2 debe ser q12 = 0 y por tanto, siempre F12A1 =
F21A2
q12=A1F12σ (T14−T 2
4)
Emisividad.
La emisividad es la proporción de radiación térmica
emitida por una superficie u objeto debido a una diferencia de
temperatura determinada. Es la transferencia de calor debida
a la emisión de ondas electromagnéticas entre dos superficies
y no necesita de un medio para llevarse a cabo. Todo cuerpo
por encima del cero absoluto emite radiación.
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Es una propiedad de los materiales que informa sobre la
capacidad o eficiencia de este para emitir radiación
comparada con un cuerpo negro
El coeficiente de emisividad (ε), es un número
adimensional que relaciona la habilidad de un objeto real para
irradiar energía térmica, con la habilidad de irradiar si éste
fuera un cuerpo negro:
Un cuerpo negro, por consiguiente, tiene un coeficiente ε
= 1, mientras que en un objeto real, ε siempre se mantiene
menor a 1.
Teniendo en cuenta la Ley de Stefan-Boltzmann, la
radiación emitida por una superficie real se expresa como una
porción de la que emitiría el cuerpo negro.
Absortividad
Otra propiedad importante relativa a la radiación es la
absortividad a que representa la fracción de radiación
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incidente sobre una superficie que es absorbida por ésta. Su
valor está comprendido en el rango 0 < a< 1 . Un cuerpo
negro absorbe toda la radiación incidente sobre él, es un
absorbente perfecto (a = 1) .
En general , tanto la emisividad como la absortividad de
una superficie dependen de su temperatura y de la longitud
de onda de la radiación. Según la Ley de Kirchhoff de la
radiación: "La emisividad y la absortividad de una superficie a
una temperatura y longitud de onda dadas son iguales".
- La diferencia entre las velocidades de radiación emitida por
la superficie y radiación absorbida por la misma es la
transferencia neta de calor por radiación. Si la velocidad de
absorción de radiación es mayor que la de emisión se dice
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que la superficie está ganando energía por radiación. De lo
contrario se dice que está perdiendo energía por radiación.
Cuando una superficie de emisividad e y área superficial
As que se encuentra a una temperatura absoluta Ts, está
completamente encerrada por una superficie mucho mayor (o
negra) que se encuentra a la temperatura absoluta Talred y
separadas por un gas (como el aire) que no interviene en la
radiación la rapidez neta de transferencia de calor por
radiación entre estas dos superficies se expresa por:
Qradiacion=ε . σ . A s(T s4−T alred
4 ) (W)
En este caso especial la emisividad y el área de la
supercie circundante no influyen en la transferencia neta de
calor por radiación.
Reflectividad
Es la fracción de radiación incidente reflejada por una
superficie. En general debe tratársela como una propiedad
direccional, en función de la dirección reflejada, de la
dirección incidente, y de la longitud de onda incidente. Sin
embargo comúnmente es también promediada sobre el
hemisferio reflejado para dar la reflectividad espectral
hemisférica:
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donde Grefl(λ) y Gincid(λ) son las intensidades
espectrales reflejadas e incidentes (por longitud de onda)
respectivamente.
Así se puede promediar con todas las longitudes de onda,
dando las reflectividades totales hemisféricas:
Coeficiente de transferencia de calor combinado
La transferencia de calor por radiación hacia una
superficie, o desde ésta, rodeada por un gas como el aire,
ocurre paralela a la convección ( o radiación si no existe
movimiento macroscópico del gas ) entre la superficie y el
gas. La transferencia total de calor se determina al sumar las
contribuciones de los dos mecanismos de transferencia. Con
el objeto de hacer los cálculos más sencillos en muchas
ocasiones se define el llamado coeficiente combinado de
transferencia de calor donde se incluyen los efectos
simultáneos de la convección y la radiación. Entonces, la
velocidad total de transferencia de calor hacia una superficie
o desde ésta, por convección y radiación, se expresa como:
Qtotal=hcombinado . As (T s−T f )(W )
Tf: temperatura del fluido lo suficientemente lejos de la
superficie
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Mecanismos combinados de transmisión del calor
Los procesos de transmisión del calor por medio de la
conducción, convección y radiación, junto con la eventual
acumulación, se producen de forma simultánea y concurrente,
de manera que en situaciones reales, e incluso en condiciones
de laboratorio, es difícil discernir con exactitud la contribución
de cada mecanismo en la transmisión de calor entre los
ambientes y el cerramiento.
En el intercambio de calor entre la superficie del
cerramiento y el ambiente se solapan los flujos debidos a la
radiación y la convección, debiéndose considerar en el
primero la contribución de la absorción de onda corta, ya sea
procedente del sol o del alumbrado, y la de onda larga,
procedentes de las superficies del entorno e incluso, en el
caso de recintos cerrados, existirían radiaciones infrarrojas
emitidas por el cerramiento y reflejadas por el resto de los
paramentos.
Simultáneamente a la radiación, los flujos de calor por
convección dependerán si el aire es movido por fuerzas
gravitatorias o son impulsados por agentes externos, o por
una combinación de ambos. La complejidad del cálculo
riguroso de todos estos mecanismos ha llevado a la definición
de un Coeficiente de transferencia superficial de calor h, de
fácil aplicación en el estudio de casos simplificados, tales
como los propuestos por normas oficiales de aislamiento
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térmico, y en los que se integran la convección y la radiación
con valores típicos.
Q = h· D T = (+ h rad) · D T (W/m2)
En la transmisión de calor por conducción a través de los
cerramientos hay que considerar generalmente que éste está
constituido por varias capas con propiedades físicas
diferentes, debiéndose calcular su resistencia total como la
suma de varias resistencias en serie, y que las temperaturas
interiores resultantes en régimen estacionario tendrán un
gradiente diferente en cada capa. En el caso de existir zonas
adyacentes con diferentes conductividades, tales como
puentes térmicos, el coeficiente global de conductividad será
la media ponderara de las conductividades en paralelo. Por
último, en el caso de conducción en régimen transitorio, se
generarán sumideros y fuentes de calor por acumulación en
función de la variación temporal de las temperaturas en cada
punto de su interior.
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Esquema de los flujos de calor entre el cerramiento y su
entorno
Propiedades de la Radiación de acuerdo con las
superficies
Cuando una superficie conserva constantes sus
propiedades direccionales, se denomina superficie difusa. Al
igual que una radiación que tenga igual intensidad en todas
direcciones se denomina radiación difusa, como las emitiría
un cuerpo negro.
No obstante, es frecuente que superficies reales varían
sus coeficientes en función de la dirección. Así, por ejemplo,
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las superficies de materiales metálicos conductores aumentan
su emisividad para valores altos de q.
Por el contrario las superficies no metálicas, como las
normales en los cerramientos, suelen tener una emisividad
direccional bastante constante, salvo para valores muy
elevados de q en que se reduce.
No obstante hay que considerar en ambos casos que, si
bien las intensidades para ángulos rasantes se desvían del
promedio, el flujo total queda poco afectado porque la ley del
coseno minimiza la radiaciones para ángulos polares próximos
a 90º, por lo que en la práctica se suelen considerar dichas
superficies como emisoras difusas.
Conviene que se mencionen los tipos de distribución de la
intensidad de la energía reflejada, que depende del
tratamiento de la superficie. Un caso límite son las superficies
especulares, que reflejan la radiación con igual inclinación que
la radiación incidente, como ocurre con las superficies pulidas.
El otro caso límite son las superficies reflectoras difusas, que
distribuyen de forma homogénea la energía reflejada con
independencia del ángulo de la radiación incidente.
Los casos reales suelen ser una combinación o variación
de estos casos límites, siendo habitual en las superficies no
metálicas que para valores elevados de q , al disminuir la
emisividad y por tanto la absortividad direccional, aumente la
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reflectancia direccional y por ello también la energía reflejada,
si bien para este estudio se consideren en general todas las
superficies normales de los cerramientos como reflectoras
difusas por analogía y simplicidad.
Efectos de la rugosidad superficial
Un efecto que altera sustancialmente las características
radiantes de una superficie es la relación entre la longitud de
onda de la energía radiante considerada y la magnitud de las
imperfecciones superficiales. Una superficie ópticamente lisa
es aquella para la que las imperfecciones superficiales son
mucho menores que las longitudes de onda. Obviamente una
superficie puede ser ópticamente lisa para longitudes de
ondas más larga del espectro y bastante áspera para
longitudes de onda más bajas.
La cuestión de los efectos de las ásperas superficial en la
características de radiación de las superficies es bastante
compleja. No existen buenos medios de definir la rugosidad
superficial.
Efectos de las impurezas superficiales
Un superficie preparad cuidadosamente para comportarse
en forma ópticamente lisa se puede desviar del
comportamiento por una multitud de efectos superficiales.
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Algunos ejemplos de estos efectos son las capas de oxido
formado por algunos productos de reacción química en la
superficie, y la adsorción superficial, como en el caso de las
gotitas de agua.
Las reacciones químicas superficiales son de interés en el
caso de los metales; obviamente, la mayoría de las
superficies no metálicas. Tienen poca o ninguna actividad
superficial. La presencia de oxido, incluso si es muy delgada,
aumenta la emisividad por encima del valor para una
superficie metálica.
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Conclusión
La forma radiactiva de la transmisión del calor se
caracteriza porque la energía se transporta en forma de ondas
electromagnéticas, que se propagan a la velocidad de la luz.
El transporte de energía por radiación se puede realizar entre
superficies separadas por el vacío; así por ejemplo, el Sol
transmite energía a la Tierra por radiación a través del
espacio que, una vez interceptada por la Tierra, se transforma
en otras fuentes de energía.
La radiación presenta una diferencia fundamental
respecto a la conducción y la convección: las sustancias que
intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que
pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un
término que se aplica genéricamente a toda clase de
fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas.
Autor: Davinson Maita
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