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UNIVERSIDAD TECNICA DE MACHALA

P á g i n a 1 | 10

UNIVERSIDAD TECNICA DE MACHALA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL INFORME DE FISICA II Datos Informativos Integrantes: Cristian calle, Josué Camacho, Cristhian Romero, Rene Saraguro Grupo: N0 3 Fecha: 23 de Julio 2014 Paralelo: “C” Tema: Calor Por Radiación. Semestre: 2do Profesor: Ing. Segundo Espinoza Díaz

INTRODUCCION Este trabajo es realizado por estudiantes de Ingeniería Civil de la Universidad Técnica de Machala del Segundo Semestre como proyecto de exposición de física II para el periodo lectivo 2014. Dando a conocer uno de los tres tipos de calor que existen: Siendo analizando el calor por radiación, describiendo su definición, formula, agentes que intervienen para su cálculo, y aplicación de lo aprendido con un ejercicio referente al tema. Dándose por terminado el proyecto con las conclusiones y recomendaciones pertinentes.

OBJETIVOS 1. Demostrar mediante definiciones y ejemplos su comprensión acerca de la radiación. 2. Resolver problemas sobre calor por radiación que incluyan parámetros como emisividad (e), constante de Stefan (σ), temperatura (T), energía radiante (E), área superficial (A), potencia radiante (P). 3. Definirá la razón de radiación y la emisividad y aplicara estos conceptos para resolver problemas que comporten la radiación térmica.

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TRANSMISIÓN DE CALOR POR RADIACIÓN CALOR. El calor se define como la energía cinética total de todos los átomos o moléculas de una sustancia.

TEMPERATURA. La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de los átomos y moléculas individuales de una sustancia. Cuando se agrega calor a una sustancia, sus átomos o moléculas se mueven más rápido y su temperatura se eleva, o viceversa.

CALOR POR RADIACIÓN El término radiación se refiere a la emisión continua de energía en forma de ondas electromagnéticas originadas en el nivel atómico. Ejemplos de ondas electromagnéticas son los rayos gama, los rayos X, las ondas de luz, los rayos infrarrojos, las ondas de radio y las de radar; la única diferencia que hay entre ellas es la longitud de onda. En esta sección estudiaremos la radiación térmica.

La radiación térmica se debe a ondas electromagnéticas emitidas o absorbidas por un sólido, un líquido o un gas debido a su temperatura.

Todos los objetos con una temperatura superior al cero absoluto emiten energía radiante. A bajas temperaturas, la razón de emisión es pequeña y la radiación es predominantemente de longitudes de onda grandes. A medida que la temperatura se eleva, esa razón aumenta rápidamente y la radiación predominante corresponde a longitudes de onda más cortas.

Si se calienta sin parar una barra de hierro, finalmente emitirá radiación en la región visible; de ese hecho han surgido las expresiones caliente al rojo vivo y caliente cal blanco.

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Las mediciones experimentales han demostrado que la razón a la que es radiada la energía térmica desde una superficie varía directamente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo radiante. Dicho de otro modo, si la temperatura de un objeto se duplica, la razón con la que emite energía térmica se incrementa dieciséis veces. Un factor adicional que ha de considerarse al calcular la razón de transferencia de calor por radiación es la naturaleza de las superficies expuestas. Los objetos que son emisores de la radiación térmica son también eficientes para absorberla. Un objeto que absorbe toda la radiación que incide sobre su superficie se llama absorbedor ideal.

Un objeto de este tipo será también un radiador ideal. No existe un absorbedor realmente ideal; pero, en general, cuanto más negra sea una superficie, tanto mejor absorberá la energía térmica. Por ejemplo, una camisa negra absorbe más energía radiante solar que una camisa más clara. Puesto que la camisa negra es también buena emisora, su temperatura externa será más alta que la temperatura de nuestro cuerpo, lo cual hace que nos sintamos incómodos.

A veces un absorbedor ideal o un radiador ideal se conocen como cuerpo negro por las razones mencionadas. La radiación emitida por un cuerpo negro se denomina radiación el cuerpo negro. Aunque tales cuerpos no existen en realidad, el concepto es útil como un patrón para comparar la Emisividad de diversas superficies.

La emisividad e es una medida de la capacidad de un cuerpo para absorber o emitir radiación térmica.

La emisividad es una cantidad adimensional que tiene un valor numérico entre 0 y 1, según la naturaleza de la superficie. En el caso de un cuerpo negro, es igual a la unidad. Para una superficie de plata perfectamente pulida el valor de la emisividad se aproxima a cero.

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La razón de radiación R de un cuerpo se define formalmente como la energía radiante emitida por unidad de área por unidad de tiempo; dicho de otro modo, la potencia por unidad de área. En forma simbólica esto se expresa.

Si la potencia radiante P se expresa en watts y la superficie A en metros cuadrados, la razón de radiación estará expresada en watts por metro cuadrado. Como ya lo hemos dicho, esta razón depende de dos factores: la temperatura absoluta T y la emisividad e del cuerpo radiante. El enunciado formal de esta dependencia, conocida como la ley Stefan-Boltzmann, se puede escribir como

La constante de proporcionalidad 𝝈(𝐒𝐢𝐠𝐦𝐚) es una constante universal completamente independiente de la naturaleza de la radiación. Si la potencia radiante se expresa en watts y la superficie en metros cuadrados, atiene el valor de 5.67 X 10-8 W/m2 • K4. La emisividad e tiene valores de 0 a 1, según la naturaleza de la superficie radiante.

Hemos

dicho

que

todos

los

objetos

emiten

radiación

sin

cesar,

independientemente de su temperatura. Si esto es cierto, ¿cómo es que no se les agota su “combustible”? La respuesta es que se les agotaría.

Si no se les proporcionara más. El filamento de un foco de luz eléctrica se enfría más rápidamente a la temperatura ambiente cuando se interrumpe el suministro de energía eléctrica. No se sigue enfriando, puesto que al llegar a este punto, el filamento está absorbiendo energía radiante a la misma razón 4|Página

que la está emitiendo. La ley que sirve de fundamento a este fenómeno se conoce como ley de Prevost del intercambio de calor

Un cuerpo que se halla a la misma temperatura que sus alrededores irradia y absorbe calor con la misma razón.

En la figura 1 se muestra un objeto aislado en equilibrio térmico con las paredes del recipiente donde se encuentra. La razón con la que un cuerpo absorbe energía está dada también por la ley Stefan-Boltzmann ecuación. Por tanto, podemos calcular la transferencia neta de energía radiante emitida por un objeto rodeado por paredes a diferentes temperaturas. Considere un delgado filamento de alambre de una lámpara que está cubierto con una envoltura, como aparece en la Figura 2. Denotemos la temperatura del filamento con T1 y la del recubrimiento con T2 La emisividad del filamento es e y sólo consideraremos los procesos radiantes positivos. En este ejemplo se advierte que Razón de radiación neta = razón de emisión de energía — razón de absorción de energía

La ecuación puede aplicarse a cualquier sistema para calcular la energía neta emitida por un radiador a temperatura Tx y emisividad e en presencia de los alrededores a temperatura Tr 1

Figura 1

Figura 2 1

Figura tomada del libro de Tippen pág. 378

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En la transferencia de calor por radiación, definimos la razón de radiación como la energía emitida por unidad de área y por unidad de tiempo (o simplemente la potencia por unidad de área):

Según la ley de Stefan-Boltzmann, esta razón está dada por

GLOSARIO DE TERMINOS Razón de radiación

R

Energía radiante

E

Área superficial

A

Temperatura absoluta

T4

Potencia radiante

P

Emisividad de la superficie

e

Constante de Stefan

σ

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Ejercicio: Ejercicios 18.11 y 18.14 del libro de Tippens de capítulo 18 (Transferencia de calor por Radiación) 18.11 Cuál es la razón de radiación de un cuerpo negro esférico a una temperatura de 327℃ ¿Cambiará esta razón si el radio se duplica y se mantiene la misma temperatura? Datos 𝑇 = 327℃ 𝑒=1 a)𝑅 =? b)𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑟𝑎𝑧𝑜𝑛 𝑠𝑖 𝑠𝑒 𝑑𝑢𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑦 𝑠𝑒 𝑚𝑎𝑛𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎

𝑲𝒘 = 𝟏𝟎𝟎𝟎𝒘

𝑘 = ℃ + 273 𝑘 = 327 + 273 𝑘 = 600

𝑹 = 𝒆𝝈𝑻𝟒 𝑅 = 1 (5,67𝑋10−8 𝑅 = (5,67𝑋10−8 𝑅 = 7,35𝑥108

𝑤 𝑚2

𝒂) 𝑹 = 𝟕, 𝟑𝟓

𝑊 ) (600𝐾 )4 2 4 𝑚 𝑘

𝑊 𝑚2 𝑘 4

𝑥

) (1,296𝑥1011 𝑘 4 )

𝐾𝑤 1000𝑤

𝑲𝒘 𝒎𝟐

𝑏) 𝑁𝑜 𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑟𝑎𝑧𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝑠𝑖𝑔𝑢𝑒 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑦 𝑚𝑎𝑛𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑖𝑠𝑚𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎

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18.14 La temperatura de operación del filamento De una Lámpara de 25 W es de 2727℃ Si la emisividad es 0,3 ¿Cuál es el Área de la Superficie del filamento? 2

Datos 𝑃 = 25 𝑊 𝑇 = 2727℃ 𝑒 = 0,3 a)𝐴 =? 𝑹 = 𝒆𝝈𝑻𝟒

𝑘 = ℃ + 273 𝑘 = 2727 + 273

𝑅 = 0,3 (5,67𝑋10−8

𝑘 = 3000

𝑅 = (5,67𝑋10−8

𝑅 = 1,37𝑥106

𝐴=

𝑹=

𝑷 𝑨

𝐴=

𝑃 𝑅

𝑊 ) (3000𝐾 )4 2 4 𝑚 𝑘

𝑊 𝑚2 𝑘 4

) (8,1𝑥1013 𝑘 4 )

𝑤 𝑚2

25𝑤 1,37𝑥106

𝑤 𝑚2

𝒂) 𝑨 = 𝟏, 𝟖𝟏𝒙𝟏𝟎−𝟓 𝒎𝟐

2

Figura tomada de la pagina http://basilikus.blogspot.com/2011/11/cambiando-focos-xd-2.html.

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CONCLUSION 

Todos los cuerpos emiten radiaciones térmicas, luminosas, electromagnéticas, etc.



Estas radiaciones se propagan en el vacío y en sustancias transparentes por medio de un movimiento ondulatorio debido a su temperatura.



Los cuerpos transfieren calor por radiación , mientras mayor sea la temperatura mayor de cantidad de calor irradian



Los cuerpos oscuros absorben la mayor cantidad de radiación que incide sobre ellos



Los cuerpos claros reflejan la radiación que incide sobre ellos



Un bombillo encendido emite radiación, por radiación el sol calienta a la tierra, las estufas eléctricas calientan una habitación por radiación

BIBLIOGRAFÍA Edmundo Salinas. (2003). Fisica2 (primera ed.). Quito, Ecuador: J.R.L. Guillermo De La Cruz. (2010). Fisica General. Lima, Peru: Coveñas S.A.C. Juan Inzunza. (11 de 12 de 2013). Mecanismos de transmisión de calor (CONDUCCION, CONVECCION, RADIACION).pdf. Recuperado el 18 de 07 de 2014, de http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/34475/1/Mecanismos%20de%2 0transmisi%C3%B3n%20de%20calor%20%28CONDUCCION,%20CON VECCION,%20RADIACION%29.pdf Paul E. Tippens. (14 de 06 de 2012). Fisica Conceptos y Aplicaciones - Paul Tippens - Septima Edicion.pdf. Recuperado el 18 de 07 de 2014, de http://www.fidena.edu.mx/biblioteca/LibrosMaquinas/libros%20curricula/1 er.semestre/Fisica/tippens/Fisica%20Conceptos%20y%20Aplicaciones% 20-%20Paul%20Tippens%20%20Septima%20Edicion.pdf#page=6&zoom=auto,-115,7

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