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Transferencia de calor por radiación (1): principios básicos

2014-08-20

Mientras que los otros dos grandes modos de transferencia de calor (por conducción y por convección) exigen la presencia de un medio material para salvar distancias, la transferencia de calor por radiación puede realizarse a través del vacío debido a que el agente transmisor es la radiación electromagnética.

La radiación electromagnética no tiene masa, pero sí energía. Cuando un cuerpo emite radiación electromagnética, la energía que porta la radiación tiene que salir de alguna parte: sale del cuerpo emisor. Por lo tanto, los cuerpos se enfrían emitiendo radiación electromagnética. Por otra parte, cuando otro cuerpo absorbe esta radiación, recibe su energía, con lo que se calienta. Un cuerpo cualquiera se encuentra en todo momento emitiendo cierta cantidad de radiación y absorbiendo cierta cantidad de radiación incidente, con lo que el resultado puede ser, en función de las circunstancias, de ganancia neta de energía, de pérdida neta de energía o de equilibrio.

La radiación electromagnética tiene muchos parámetros. Es posible descomponerla en ondas con diferentes direcciones, diferentes frecuencias y diferentes polarizaciones. Los cuerpos no necesariamente absorben toda la radiación por igual, sino que en general pueden ser más absorbentes para determinadas frecuencias (lo que nos permite la visión en color), determinadas direcciones de propagación y determinados planos de polarización.

La radiación electromagnética que incide sobre un cuerpo y que el cuerpo no absorbe puede tener dos destinos: bien puede ser reflejada, bien puede atravesar el cuerpo si este cuerpo es transparente. Por su parte, la radiación absorbida calienta el cuerpo y el cuerpo, como consecuencia de ello, emite radiación electromagnética. Incluso los cuerpos completamente negros (que absorben la radiación perfectamente) emiten a su vez radiación electromagnética.

La radiación transporta energía y, como se distribuye por el espacio, esta energía también se distribuye por el espacio. Si congelamos el tiempo y nos fijamos en un determinado volumen, dentro de este volumen hay una cierta cantidad de energía. Si dejamos pasar el tiempo, la radiación abandona el volumen a través de la superficie que es su frontera: la radiación, al moverse, transporta una energía por unidad de tiempo y por unidad de superficie. Esta potencia por unidad de superficie es lo que se conoce como irradiación.

La transferencia de calor por radiación es especialmente importante en aplicaciones de satélites y sondas espaciales, ya que estos vehículos, al encontrarse en un medio que a afectos prácticos es el vacío, no tienen otra forma de disipar energía ni de recibir energía térmica del exterior. Otro caso interesante es el de la Tierra, que al fin y al cabo es un objeto de grandes dimensiones que se encuentra en el espacio. La principal fuente de calor por radiación en la Tierra es el Sol, cuya irradiación se sitúa en el entorno de 1,3 kW m−2 o 1,4 kW m−2 a la altura de la órbita terrestre. La vida en la tierra se beneficia de esta irradiación, que en conjunto da un flujo de potencia muy notable. Como la Tierra es aproximadamente una esfera de unos 6400 km de radio, la tierra recibe del Sol una potencia de entre 170 PW y 180 PW (el producto de la irradiación y la superficie frontal de la Tierra). La Tierra absorbe una parte de esta potencia, mientras que otra acaba emitiéndola al calentarse. El estado de la Tierra, a grandes rasgos, es casi estacionario, con lo que la potencia de radiación absorbida es casi igual a la potencia emitida.


Categorías: Física

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