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

1

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.

2

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

3

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).

4

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.

5

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).

6

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)

8

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

9

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

11

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.

12

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

21

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:

23

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

24

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

25

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.

26

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,

27

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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