Republica Bolivariana de VenezuelaMinisterio del poder Popular para la Educación Universitaria

Universidad Nacional Experimental PolitécnicaVice-Rectorado L.C.M.

Laboratorio de Transferencia de Calor

Practica #4

Radiación de intensidad (Cambiando ángulo, distancia y área de

observación)

Profesor: Integrantes:

Caracas, 30 de Enero de 2014

Introducción

En el presente informe se realizara una práctica sobre la radiación de

intensidad con el fin de determinar el calor transmitido hacia un cilindro hueco,

variando su posición por la cual es sometido a un calentamiento mediante una

termopila para luego medir su poder emisivo en distintos ángulos y en

diferentes distancias, además variando el área de observación (con reflector y

sin reflector). Una vez tomada las determinadas medidas se observará lo que

ocurre mediante una grafica (poder emisivo vs distancia).

Marco teórico

Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un

cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos emiten radiación

electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la

longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la

radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de

0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y

la infrarroja del espectro electromagnético. Si un objeto de emisión de radiación

cumple con las características físicas de un cuerpo negro en equilibrio

termodinámico, la radiación se llama radiación de cuerpo negro. La ley de

Planck describe el espectro de radiación de cuerpo negro, que sólo depende de

la temperatura del objeto. La ley de desplazamiento de Wien determina la

frecuencia más probable de la radiación emitida, y la ley de Stefan-Boltzmann

da la intensidad radiante.

La radiación térmica es la emisión de ondas electromagnéticas de toda

la materia que tiene una temperatura mayor que el cero absoluto. Se

representa una conversión de la energía térmica en energía electromagnética.

Resultados de energía térmica en energía cinética en los movimientos

aleatorios de átomos y moléculas en cuestión. Toda la materia con una

temperatura de, por definición, está compuesto por partículas que tienen

energía cinética, y que interactúan entre sí. Estos átomos y moléculas están

compuestos de partículas cargadas, es decir, los protones y los electrones y las

interacciones cinéticas entre las partículas de materia resultado a cargo de

aceleración y dipolo-oscilación. Esto da como resultado la generación

electrodinámica de campos eléctricos y magnéticos acoplados, lo que resulta

en la emisión de fotones, radiación de energía fuera del cuerpo a través de su

límite de la superficie. La radiación electromagnética, o luz, no requiere de la

presencia de materia para propagar y viaja en el vacío del espacio infinitamente

lejos si obstrucciones.

Las características de la radiación térmica depende de varias

propiedades de la superficie en la que está emanando de, incluyendo su

temperatura, su capacidad de absorción espectral y la potencia de emisión

espectral, tal como se expresa por la ley de Kirchhoff. La radiación no es

monocromática, es decir, que no consiste sólo de una sola frecuencia, pero

comprende una dispersión continua de las energías de los fotones, su espectro

característico. Si el cuerpo radiante y de su superficie está en equilibrio

termodinámico y la superficie tiene capacidad de absorción perfecta en todas

las longitudes de onda, que se caracteriza como un cuerpo negro. Un cuerpo

negro es también un emisor perfecto. La radiación de estos emisores perfectos

se denomina radiación de cuerpo negro. La relación de cualquier cuerpo de

emisiones respecto a la de un cuerpo negro es emisividad del cuerpo, de modo

que un cuerpo negro tiene una emisividad de la unidad.La materia en un estado

condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La

frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una densidad de

probabilidad que depende solo de la temperatura.

Los cuerpos negros emiten radiación térmica con el mismo espectro

correspondiente a su temperatura, independientemente de los detalles de su

composición. Para el caso de un cuerpo negro, la función de densidad de

probabilidad de la frecuencia de onda emitida está dada por la ley de radiación

térmica de Planck, la ley de Wien da la frecuencia de radiación emitida más

probable y la ley de Stefan-Boltzmann da el total de energía emitida por unidad

de tiempo y superficie emisora (esta energía depende de la cuarta potencia de

la temperatura absoluta).

A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado

que por sí mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se

los ilumina, no podemos verlos. A temperaturas más altas, vemos los cuerpos

debido a la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por sí mismos.

Así, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color,

pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas.

La relación entre la temperatura de un cuerpo y el espectro de frecuencias de

su radiación emitida se utiliza en los pirómetros.

La distribución de la energía que un cuerpo negro emite con frecuencia variable

se describe por la ley de Planck. A cualquier temperatura dada, hay un fmáx

frecuencia a la que la potencia emitida es un máximo. La ley de

desplazamiento de Wien, y el hecho de que la frecuencia de la luz es

inversamente proporcional a su longitud de onda en el vacío, significan que el

fmáx frecuencia de pico es proporcional a la temperatura absoluta T del cuerpo

negro. La fotosfera del Sol, a una temperatura de aproximadamente 6000 K,

emite principalmente radiación en la porción visible del espectro

electromagnético. La atmósfera de la Tierra es parcialmente transparente a la

luz visible y la luz que llega a la superficie es absorbida o reflejada. Superficie

de la Tierra emite la radiación absorbida, aproximar el comportamiento de un

cuerpo negro a 300 K con el pico espectral a fmáx. A estas frecuencias más

bajas, la atmósfera es en gran parte opaca y la radiación de la superficie de la

Tierra es absorbida o dispersada por la atmósfera. Aunque parte de la

radiación se escapa hacia el espacio, la mayor parte es absorbida y

posteriormente re-emitida por gases atmosféricos. 

Transmisión de calor por radiación

Por radiación la energía se transporta en forma de ondas

electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz. La radiación

electromagnética que se considera aquí es la radiación térmica. La cantidad de

energía que abandona una superficie en forma de calor radiante depende de la

temperatura absoluta y de la naturaleza de la superficie. Un radiador perfecto o

cuerpo negro emite una cantidad de energía radiante de su superficie por

unidad de tiempo qr dada por la ecuación:

        Para evaluar la transferencia neta de energía radiante requiere una

diferencia en la temperatura superficial de dos o más cuerpos entre los cuales

tiene lugar el intercambio. Si un cuerpo negro irradia  a un recinto que lo rodea

completamente y cuya superficie es también negra (es decir absorbe toda la

energía radiante que incide sobre él, la transferencia neta de energía radiante

por unidad de tiempo viene dada por:

T1: Temperatura del cuerpo negro en Kelvin

T2: Temperatura superficial del recinto en Kelvin

Si a una temperatura igual a la de un cuerpo negro emiten una fracción

constante de la emisión del cuerpo negro para cada longitud de onda, se

llaman cuerpos grises. Un cuerpo gris emite radiación según la expresión:

El calor radiante neto transferido por unidad de tiempo por un cuerpo gris

a la temperatura T1 a un cuerpo negro que le rodea a la temperatura T2 es:

                                                     

Donde Ɛ1 es la emitancia de la superficie gris, igual a la relación entre la

emisión de la superficie gris y la emisión de un radiador perfecto a la misma

temperatura.

Si ninguno de los dos cuerpos es un radiador perfecto, pero poseen

entre sí una determinada relación geométrica, el calor radiante neto transferido

entre ellos viene dado por:

Donde F1-2 es un módulo que modifica la ecuación de los radiadores perfectos

para tener en cuenta las emitancias y las geometrías relativas de los cuerpos

reales.

Si la radiación emitida por un cuerpo se hace incidir sobre un prisma, se

descompone en radiaciones monocromáticas cuyo conjunto se denomina

“espectro”. Cada radiación monocromática corresponde a una determinada

longitud de onda λ, que está relacionada con la velocidad de propagación c por

la ecuación: λ = c. T. D0onde T es el período correspondiente al fenómeno

periódico al cual responde la radiación.

Por otra parte, T = 1 / υ; siendo υ la frecuencia.

El espectro se puede dividir en tres zonas:

1. zona infrarroja: constituida por radiaciones de longitud de onda superiores

a 0,8 μ.

2. zona luminosa o visible, cuyas radiaciones poseen longitudes de onda

comprendidas entre 0,4 y 0,8 μ. e impresionan la retina humana.

3. zona ultravioleta, cuyas longitudes de onda son inferiores a 0,4 μ.

La energía radiante es emitida por toda la materia del cuerpo, pero en

general, en su interior la energía emitida por cada punto es nuevamente

absorbida por eso solamente se libera la energía correspondiente a una

delgada capa de la superficie del cuerpo. No solo depende de la temperatura

de la superficie sino también de su naturaleza.

Propiedades

Hay cuatro características principales que caracterizan a la radiación térmica:

La radiación térmica emitida por un cuerpo a cualquier temperatura se

compone de una amplia gama de frecuencias. La distribución de

frecuencia está dada por la ley de Planck de la radiación del cuerpo

negro de un emisor idealizada.

El rango de frecuencia dominante de la radiación emitida se desplaza

hacia frecuencias más altas como la temperatura de los aumentos de

emisor. Por ejemplo, un objeto caliente rojo irradia principalmente en las

largas longitudes de onda de la banda visible. Si se calienta más,

también comienza a emitir cantidades perceptibles de luz verde y azul, y

la propagación de las frecuencias en todo el rango visible causar que

aparecen de color blanco para el ojo humano, sino que está caliente

blanco. Sin embargo, incluso a una temperatura al rojo vivo de 2000 K,

99% de la energía de la radiación se encuentra todavía en el infrarrojo.

Esto se determina por la ley del desplazamiento de Wien.

La cantidad total de radiación de todas las frecuencias aumenta

abruptamente cuando la temperatura se eleva, sino que crece como T4,

donde T es la temperatura absoluta del cuerpo. Un objeto en la

temperatura de un horno de cocina, alrededor de dos veces la

temperatura ambiente en la escala de temperatura absoluta irradia 16

veces más energía por unidad de área. Un objeto en la temperatura del

filamento de una bombilla, aproximadamente 3.000 K incandescente, o

10 horas a temperatura ambiente, irradia 10.000 veces más energía por

unidad de área. La intensidad de la radiación total de un cuerpo negro se

eleva como la cuarta potencia de la temperatura absoluta, tal como se

expresa por la ley de Stefan-Boltzmann.

Procedimiento

Materiales a utilizar:

1. Regleta de termopila

2. Cilindro calentador

3. Fuente de poder (120 voltios)

4. Multímetro (tester)

5. Reflector

Pasos a realizar:

1. Montar la termopila en dirección a la pista corta frente a la fuente de

calor cilíndrico

2. Después de haber alcanzado el equilibrio térmico, el objetivo de la

termopila en la fuente de calor es registrar la fuerza electromotriz, el

ángulo θ1 y la distancia R del ángulo de observación θ1, puede ser

leído directamente en la termopila o se calcula a partir de la distancia R

y la altura H, tomar una serie de lecturas con la fuente de calor a

diferentes alturas, trazar la fem en función de la temperatura.

3. Después de realizar las mediciones anteriores se procedió a colocar el

reflector en la termopila con la hendidura paralela con la superficie de la

mesa.

4. Colocar el escudo grande alrededor del elemento calentador de la fuente

de calor cilíndrico para obtener un calentamiento uniforme

Tabla de datos

Datos del Reflector:

Largo: 2,18 cm

Ancho: 1,7 mm

Cilindro: 15cm de alto

Diámetro Exterior: 11,49cm.

Diámetro Interior: 10,1 cm.

Distancia de la termopila al cilindro: 26,2 cm.

Tiempo en vencer la inercia: 2 min.

Tiempo en vencer la resistencia térmica a 2,2 mv: 33 min.

Nº Distancia

(cm)

Área del Reflector

(cm2)

Angulo Temperatura

(°C)

Radiación

(mv)

H del cilindro

(cm)

H media del

cilindro(cm)

1 26,2 α1 131 2,2 11,6 5,82 26,2 0.37 α1 131 0,1 11,6 5,83 26,2 α1 133,3 2,1 11,6 5,84 26,2 0.37 α1 133,3 0,1 11,6 5,85 27,9 α2 137,6 2,5 14,7 6,756 27,9 0.37 α2 137,6 0,1 14,7 6,757 27,9 α2 139,3 2,4 14,7 6,758 27,9 0.37 α2 140 0,1 14,7 6,75

Graficas

Termopila con α1 medidas 1 y 2:

Termopila con α1 medidas 3 y 4:

0 5 10 15 20 25 300

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Termopila

Termopila sin ReflectorTermopila con Reflector

Distancia (cm)

Pode

r Em

isivo

(mv)

0 5 10 15 20 25 300

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Termopila

Termopila sin ReflectorTermopila con Reflector

Distancia (cm)

Pode

r Em

isivo

(mv)

Termopila con α2 medidas 5 y 6:

Termopila con α2 medidas 7 y 8:

0 5 10 15 20 25 300

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Termopila

Termopila sin ReflectorTermopila con Reflector

Distancia (cm)

Pode

r Em

isivo

(mv)

0 5 10 15 20 25 300

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Termopila

Termopila sin ReflectorTermopila con Reflector

Distancia (cm)

Pode

r Em

isivo

(mv)

Análisis de resultados

En los datos obtenidos se puede apreciar como el poder emisivo varía en proporción a la distancia determinada, de lo cual se observa la diferencia de poder emisivo según sea el caso, a su vez este factor fue influenciado por una restricción (reflector) , debido a esto se observó cómo disminuía el poder emisivo captado.

En las graficas se observa de manera más clara el comportamiento para cada uno de los casos de lo cual podemos decir:

Para el ángulo de 5,32º:

Indistintamente de la distancia tomada el poder emisivo del cilindro hueco fue la misma, esto se observa como una línea constante en la gráfica, pero cuando se utilizó la restricción obviamente el poder emisivo disminuyo debido a que el área de captación fue reducida.

Para el ángulo de 13,72º:

A igual que el caso anterior, se observó cómo el poder emisivo no vario en función de la distancia, pero si cambio al colocar la restricción, disminuyendo el poder calorífico drásticamente.

Podemos acotar que la variación de poder emisivo al cambiar la distancia fue insignificante, debido a que la distancia a la que fue desplazada fue muy pequeña.

Conclusiones

Como observamos en el informe, se analizó la forma de medir o de calcular el poder emisivo, cambiando la distancia y el ángulo de medición, obteniendo datos específicos, algunos constantes y otros distintos, de los cuales podemos mencionar, que al calcular el poder emisivo con el primer ángulo tomado, sin restricción alguna y aun así se variara la distancia, el poder emisivo seria el mismo, lo cual tiene un sentido lógico pues la distancia de separación utilizada el ensayo fue muy poca (5 cm), de esta manera el poder emisivo del cilindro no varía mucho. Procediendo hacer la misma prueba pero con otro ángulo obtenemos valores semejantes al utilizado anteriormente, esta semejanza de datos obtenidos lo podemos comprobar o adjudicar con el hecho de que la diferencia de ángulos fue mínima y por lo tanto la variación del poder emisivo seria poca.

En ambos casos al utilizar el área restringida observamos cómo el poder emisivo disminuye drásticamente, esto ocurre porque estamos disminuyendo la captación o el área de observación del poder emisivo que irradiaba el cilindro, ocasionado una disminución drástica tomando en cuenta que el área de captación de la restricción es muy pequeña.

Un inconveniente desafortunado presente en la práctica fue no haber tomado lectura de la temperatura para cada caso, esto nos hubiese permitido calcular el calor emanado por el cilindro.

Bibliografía

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