1. Definición de transferencia de calor por radiación
¿Qué sensación produce usar ropa negra en un día caluroso o al hacer ejercicio durante el día? ¿Y al usar ropa blanca? Si usas ropa negra durante el día, sientes calor. ¿Por qué? La distancia entre el sol y la tierra por la mañana es casi la misma que durante el día y la tarde. Entonces, ¿por qué las mañanas y las tardes son más frescas y el día más caluroso? Las respuestas a estas preguntas están relacionadas con la transferencia de calor por radiación.
La transferencia de calor por radiación se produce mediante ondas electromagnéticas. Ejemplos de transferencia de calor por radiación son el calor corporal al estar cerca de un horno y la transferencia de calor del sol a la Tierra. El sol tiene una temperatura más alta (alrededor de 6000 Kelvin), mientras que la Tierra tiene una temperatura más baja. La diferencia de temperatura entre el sol y la Tierra provoca que el calor se desplace del sol (temperatura más alta) a la Tierra (temperatura más baja). Si la transferencia de calor del sol a la Tierra requiriera un medio intermedio, como en la conducción y la convección, el calor no podría llegar a la Tierra; tendría que atravesar el vacío (o un espacio casi vacío). Sin el calor del sol, la vida en la Tierra no existiría, ya que la vida requiere energía solar.
Otro ejemplo de transferencia de calor por radiación es el calor que sentimos cerca de una llama. Este calor no se debe al sobrecalentamiento del aire por la llama. Como se explicó anteriormente, el aire caliente se expande, disminuyendo su densidad. Como resultado, el aire con menor densidad se mueve verticalmente hacia arriba, no horizontalmente hacia nosotros. Sentimos calor cerca de la llama porque el calor se transmite por radiación desde la llama (temperatura más alta) hacia nuestro cuerpo (temperatura más baja).
La transferencia de calor por radiación difiere ligeramente de la transferencia de calor por conducción y convección. La transferencia de calor por conducción y convección ocurre cuando objetos con diferencias de temperatura entran en contacto. Por otro lado, la transferencia de calor por radiación puede ocurrir sin contacto.
2. La ecuación de la transferencia de calor por radiación
La tasa de transferencia de calor por radiación es proporcional a la superficie del objeto y a su temperatura absoluta (en la escala Kelvin). Los objetos con mayor superficie presentan una tasa de transferencia de calor superior a la de los objetos con menor superficie.
Asimismo, los objetos con una temperatura de 2000 Kelvin, por ejemplo, tienen una tasa de transferencia de calor 2⁴ = 16 veces mayor que los objetos con una temperatura de 1000 Kelvin. Este resultado fue descubierto por Josef Stefan en 1879 y derivado teóricamente por Ludwig Boltzmann unos cinco años después.
Q = calor, t = tiempo, A = área superficial del objeto (m² ) , T = temperatura absoluta del objeto (K), e = emisividad (número adimensional cuyo valor oscila entre 0 y 1), σ = 5.67 x 10⁻⁸ W /m² · K⁴ (constante universal. También conocida como constante de Stefan-Boltzmann), Q/t = tasa de transferencia de calor por radiación
Los objetos con superficies oscuras (negras) tienen una emisividad cercana a 1, mientras que los objetos de color claro tienen una emisividad cercana a 0. Cuanto mayor sea la emisividad de un objeto (e se aproxima a 1), mayor será la cantidad de calor que emite. Por el contrario, cuanto menor sea la emisividad de un objeto (e se aproxima a 0), menor será la cantidad de calor que emite. Podemos decir que los objetos de color oscuro (negros) suelen emitir más calor que los objetos de color claro (blancos).
La emisividad no solo determina la capacidad de un objeto para emitir calor, sino también su capacidad para absorber el calor emitido por otros objetos. Los objetos con una emisividad cercana a 1 (objetos de color oscuro) absorben casi todo el calor que incide sobre ellos; solo una pequeña parte se refleja. Por el contrario, los objetos con una emisividad cercana a 0 (objetos de color claro) absorben poco calor; la mayor parte se refleja. Un objeto que absorbe todo el calor que incide sobre él tiene una emisividad de 1. Este tipo de objeto se conoce como "objeto negro". El término "objeto negro" no indica que los objetos sean negros, sino que describe su capacidad para absorber todo el calor que incide sobre ellos.
3. La tasa de calor emitido por el sol
Según los cálculos (basados en la realidad), se determinó que el calor que se transmite del sol a la Tierra es de 1350 julios por segundo por metro cuadrado. En un día soleado (sin nubes), llega a la superficie terrestre un calor de 1000 julios por segundo por metro cuadrado. En un día con muchas nubes, alrededor del 70% del calor es absorbido por la atmósfera terrestre, y solo el 30% llega a la superficie. La cantidad de calor que se disipa en la atmósfera depende de la cantidad de nubes. Esta cantidad de calor de 1350 julios por segundo por metro cuadrado se conoce como constante solar . Dado que julios por segundo (J/s) equivalen a vatios, podemos reescribir la constante solar como 1350 vatios por metro cuadrado = 1350 W/m².
Cuando el calor emitido por el sol llega a la superficie terrestre, es absorbido por la Tierra y los objetos que se encuentran en ella. La tasa de absorción de calor depende de la emisividad (e) del objeto, su superficie y el ángulo que forma la luz solar con una línea perpendicular a su superficie.
información:
Q/t = tasa de absorción de calor, 1000 W/m2 = constante solar, e = emisividad del objeto, A = área de la superficie del objeto, θ = ángulo formado por la luz solar con líneas perpendiculares a la superficie del objeto,
A cos θ = área efectiva (componente del área superficial de los objetos perpendicular a la luz solar)
Durante el día, los rayos del sol son paralelos o coinciden con una línea perpendicular a la superficie terrestre (ángulo formado = 0).
La parte inferior formada = 0 o , por lo tanto, la tasa de absorción de calor es:
La tasa de absorción de calor (Q/t) es máxima si el ángulo formado por la luz solar con una línea perpendicular a la superficie terrestre es de 0 ° (cos 0° = 1). Esto suele ocurrir durante el día, cuando el sol incide perpendicularmente sobre la superficie terrestre. Por lo tanto, no es de extrañar que la luz del día sea más intensa que la de la mañana o la tarde. Por la mañana y por la tarde, el ángulo formado es cercano a 90 °.
Si el ángulo formado es de 80 ° , entonces la tasa de absorción de calor es:
La tasa de absorción de calor (Q/t) por la mañana y por la tarde es mínima porque cos θ es cercano a cero. Cuanto menor sea cos θ, menor será la tasa de absorción de calor.
Al atardecer en el horizonte occidental o a punto de salir en el horizonte oriental, el ángulo creado es de 90 °.
Debido a que el ángulo formado es de 90 ° , la tasa de absorción de calor es:
Tasa de absorción de calor (Q/t) al atardecer o a punto de amanecer = 0.
