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Cuestionario Unidades 16 y 17.

Radiación electromagnética y térmica. 1)¿Por cuáles propiedades se caracteriza una onda electromagnética? ¿Cómo se relacionan estas propiedades entre sí? Las ondas electromagnéticas se caracterizan por su frecuencia v y longitud de onda λ. Estas dos propiedades en un medio están relacionadas por λ = c / v donde c es la velocidad de la luz en ese medio.

2) ¿Qué es luz visible? ¿En qué se diferencia con respecto a las otras formas de radiación electromagnética? La luz visible es un tipo de onda electromagnética cuya longitud de onda está entre 0,40 y 0,76 μm. Se diferencia de las otras formas de radiación electromagnética en que produce la sensación de ver en el ojo humano.

3) ¿En qué se diferencia la cocción con microondas de la cocción convencional? Los microondas en el rango de 102 a 105 µm son muy adecuadas para cocinar, ya que se reflejan en los metales, se transmiten por el vidrio y los plásticos y son absorbidas por las moléculas de los alimentos (especialmente el agua). Por lo tanto, la energía eléctrica convertida en radiación en un horno de microondas finalmente se convierte en parte de la energía interna del alimento sin la participación de la conducción y las resistencias térmicas de convección. En la cocción convencional, por otro lado, las resistencias térmicas de conducción y convección ralentizan la transferencia de calor y, por lo tanto, el proceso de calentamiento.

4) ¿Qué es radiación térmica? ¿En qué se diferencia con respecto a las otras formas de radiación electromagnética? La radiación térmica es la radiación emitida como resultado de movimientos vibratorios y de rotación de moléculas, átomos y electrones de una sustancia, y se extiende desde aproximadamente 0,1 a 100 μm en longitud de onda. A diferencia de las otras formas de radiación electromagnética, la radiación térmica es emitida por los cuerpos debido a su temperatura.

5) ¿Por qué por lo común la radiación se trata como un fenómeno superficial? La radiación en sólidos opacos se considera un fenómeno superficial ya que solo la radiación emitida por las moléculas en una capa muy delgada de un cuerpo en la superficie puede escapar del sólido.

6) ¿En qué difieren la radiación ultravioleta y la infrarroja? ¿Piensa el lector que su cuerpo emite alguna radiación en el rango ultravioleta? Explique. La radiación infrarroja se encuentra entre 0,76 y 100 μm, mientras que la radiación ultravioleta se encuentra entre las longitudes de onda de 0,01 a 0,40 μm. El cuerpo humano no emite ninguna radiación en la región ultravioleta ya que los cuerpos a temperatura ambiente emiten radiación solo en la región infrarroja.

Radiación de cuerpo negro. 7) ¿Qué es un cuerpo negro? ¿En realidad existe un cuerpo negro? Un cuerpo negro es un emisor y un absorbente perfecto de radiación. Un cuerpo negro no existe en realidad. Es un cuerpo idealizado que emite la máxima cantidad de radiación que puede emitir una superficie a una temperatura determinada.

8) ¿Por qué definimos la función de radiación de cuerpo negro? ¿Qué representa? ¿Para qué se usa? Definimos la función de radiación de cuerpo negro fλ porque la integración no se puede realizar. La función de radiación de cuerpo negro fλ representa la fracción de radiación emitida por un cuerpo negro a la temperatura T en el rango de longitud de onda desde λ = 0 a λ. Esta función se usa para determinar la fracción de radiación en un rango de longitud de onda entre λ1 y λ2.

9) Defina los poderes de emisión total y espectral de un cuerpo negro. ¿Cómo están relacionados entre sí? ¿En qué difieren? El poder emisivo del cuerpo negro espectral es la cantidad de energía de radiación emitida por

un cuerpo negro a una temperatura absoluta T por unidad de tiempo, por área de superficie unitaria y por longitud de onda de unidad alrededor de la longitud de onda λ. La integración de la poder de emisión espectral del cuerpo negro en todo el espectro de longitud de onda da el poder emisivo total del cuerpo negro, El poder emisivo del cuerpo negro espectral varía con la longitud de onda, el poder emisivo total del cuerpo negro no.

10) Considere dos cuerpos idénticos, uno a 1.000 K y el otro a 1.500 K. ¿Cuál de los dos cuerpos emite más radiación en la región de las longitudes de onda más cortas? ¿Cuál de los dos cuerpos emite más radiación a una longitud de onda de 20 mm?

Cuanto mayor es la temperatura de un cuerpo, mayor es la fracción de la radiación emitida en longitudes de onda más cortas. Por lo tanto, el cuerpo a 1500 K emitirá más radiación en la región de longitud de onda más corta. El cuerpo a 1000 K emite más radiación a 20 μm que el cuerpo a 1500 K ya que λT = constante.

Intensidad de radiación 11) Cuando se conoce la variación de la cantidad de radiación espectral con la longitud de onda, ¿cómo se determina la cantidad total correspondiente? Cuando se conoce la variación de la cantidad de radiación espectral con la longitud de onda, la cantidad total correlativa se determina integrando esa cantidad con respecto a la longitud de onda de λ = 0 a λ = ∞.

12) Para una superficie, ¿cómo se define radiosidad? Para superficies difusamente emisoras y reflectoras, ¿cómo se relaciona la radiosidad con las intensidades de la radiación emitida y reflejada? Radiosidad J es la velocidad a la cual la energía de radiación deja un área unitaria de una superficie por emisión y reflexión en todas las direcciones. Para una superficie emisora y reflectante difusa, la radiosidad está relacionada con la intensidad de la radiación emitida y reflejada por J = πI e + r (o J λ = πI λ, e + r para cantidades espectrales).

13) ¿Cómo se define la intensidad de la radiación emitida? Para una superficie difusamente emisora, ¿de qué manera se relaciona el poder de emisión con la intensidad de la radiación emitida? La intensidad de la radiación emitida Ie (θ, φ) se define como la velocidad a la que se emite energía de radiación d𝑄̇ e en la dirección (θ, φ) por unidad de área normal a esta dirección y por unidad de ángulo sólido alrededor de esta dirección. Para una superficie que emite difusamente, la potencia emisiva está relacionada con la intensidad de la radiación emitida por E = πIe (o Eλ = πI λ, e+r para cantidades espectrales).

Propiedades de radiación. 14) ¿Qué es un cuerpo gris? ¿Cuál es su diferencia con un cuerpo negro? ¿Qué es una superficie gris difusa? Un cuerpo cuyas propiedades de superficie son independientes se lo denomina cuerpo gris. La emisividad de un cuerpo negro es uno para todas las longitudes de onda, la emisividad de un cuerpo gris está entre cero y uno.

15) Defina las propiedades de emisividad y absortividad. ¿Cuándo estas dos propiedades son iguales entre sí?

La emisividad es la relación de radiación emitida por la superficie a la radiación emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura. La fracción de radiación absorbida por la superficie se llama absortividad α,

Cuando la temperatura de la superficie es igual a la temperatura de la fuente de radiación, la emisividad hemisférica total de una temperatura es igual a su absortividad hemisférica total para la radiación procedente de un cuerpo negro a la misma temperatura ε λ (T) = α λ (T).

Radiación atmosférica y solar 16) ¿Qué es la constante solar? ¿Cómo se usa para determinar la temperatura superficial efectiva del Sol? ¿Cómo cambiaría el valor de la constante solar si se duplicara la distancia entre la Tierra y el Sol? La constante solar representa la velocidad a la cual la energía solar es incidente a la superficie de la atmósfera cuando la tierra está a distancia media del sol. Su valor es Gs= 1353 W / m2. La constante solar se usa para estimar la temperatura efectiva del sol

donde L es la distancia media entre el sol y la tierra y r es el radio del sol. Si la distancia entre la tierra y el sol se duplica, el valor de Gs cae a un cuarto:

17) Es probable que el lector haya observado las señales de advertencia en las carreteras expresando que los puentes pueden estar cubiertos de hielo cuando las carreteras no lo están. Explique cómo puede suceder esto. Hay una pérdida de calor de ambos lados del puente (superficies superior e inferior del puente) que reduce la temperatura de la zona del puente a valores muy bajos. La tierra relativamente caliente bajo una carretera suministra calor a la zona continuamente, haciendo que sea menos probable que el agua se congele.

18) Cuando la Tierra está lo más cercana al Sol tenemos el invierno en el hemisferio norte. Explique por qué. Asimismo, explique por qué tenemos el verano en el hemisferio norte cuando la Tierra está más alejada del Sol. La razón de las diferentes estaciones es la inclinación de la Tierra que hace que la radiación solar deba viajar a través de la atmosfera por un recorrido más largo en invierno, y un recorrido más corto en verano .Por lo tanto, la radiación solar se atenúa con mucho más en invierno.

19) ¿Qué es la temperatura efectiva del cielo? Las moléculas de gas y las partículas suspendidas en la atmósfera emiten radiación, así como la absorción de la misma. Aunque esta emisión está lejos de parecerse a la distribución de la radiación de un cuerpo negro, es conveniente en cálculos de radiación, el tratamiento de la atmósfera como un cuerpo negro a una temperatura ficticia inferior que emite una cantidad equivalente de energía de radiación. Esta temperatura ficticia se llama la temperatura efectiva del cielo Tcielo.

20) Explique por qué las superficies suelen tener absortividades bastante diferentes para la radiación solar y para la que se origina desde los cuerpos circundantes. Debido a diferentes longitudes de onda de la radiación solar y radiación que se origina a partir de cuerpos circundantes, las superficies por lo general tienen diferentes absortividades. La radiación solar se concentra en la región de longitud de onda corta y las superficies en la región infrarroja.

El factor de visión 21) ¿Qué representa el factor de visión? ¿Cuándo el factor de visión de una superficie hacia sí misma no es cero? El factor de visión representa la fracción de la radiación que sale de la superficie i que choca directamente la superficie j. El factor de visión desde una superficie hacia sí misma no es cero para las superficies cóncavas.

22) ¿Cuál es el método de las cuerdas cruzadas? ¿Para cuáles clases de configuraciones geométricas es aplicable el método de las cuerdas cruzadas? El método de las cuerdas cruzadas es aplicable a las geometrías que son muy largas en una dirección en relación a las otras direcciones. Al unir cuerdas entre puntos extremos, el método de cuerdas cruzadas se expresa como

23) ¿Cuáles son la regla de la suma y la regla de superposición para los factores de visión?

La regla de la suma para un recinto se expresa como donde N es el número de superficies del recinto. Establece que la suma de los factores de vista de la superficie i de un recinto a todas las superficies del recinto, incluido a sí mismo, debe ser igual a la unidad. La regla de superposición se establece como el factor de vista de una superficie i a una superficie j es igual a la suma de los factores de vista de la superficie i a las partes de la superficie j, F1 → (2,3) = F1 → 2 + F1 → 3.

24) ¿Cómo puede el lector determinar el factor de visión F12 cuando se dispone del factor de visión F21 y de las áreas superficiales? El par de factor de visión Fi→j y Fj→i están relacionados entre sí por la regla de reciprocidad AiFij=AjFji donde Aj es el área de la superficie j y Ai es el área de la superficie i . Por lo tanto,

Transferencia de calor por radiación entre superficies 25) ¿Cuáles son los dos métodos usados en el análisis de la radiación? ¿Cuál es la diferencia entre estos dos métodos? Los dos métodos utilizados en el análisis de radiación son él directo y los métodos de redes. En el método directo (matricial) , las ecuaciones 13-34 y 13-35 (Cengel, Transferencia de Calor y Masa) dan N ecuaciones algebraicas lineales para la determinación de las N radiosidades desconocidas para un recinto de superficie N. Una vez que las radiosidades están disponibles, las velocidades desconocidas de temperatura superficial y de transferencia de calor se pueden determinar a partir de estas ecuaciones. Este método implica el uso de matrices especialmente cuando hay una gran cantidad de superficies. Por lo tanto, este método requiere algunos conocimientos de álgebra lineal. El método de redes implica dibujar una resistencia de superficie asociada con cada superficie de un recinto y conectarlas con resistencias espaciales. Entonces, el problema de la radiación se resuelve tratándolo como un problema de red eléctrica en el que la transferencia de calor por radiación reemplaza a la corriente y la radiosidad reemplaza el potencial. El método de redes no es práctico para recintos con más de tres o cuatro superficies debido a la mayor complejidad de la red.

26) ¿En qué difiere la radiosidad de una superficie con respecto a la energía emitida? ¿Para qué clases de superficies estas dos cantidades son idénticas? La radiosidad es la energía de radiación total que deja una superficie por unidad de tiempo y por unidad de área. La radiosidad incluye la energía de radiación emitida y la energía reflejada.

La radiosidad y la energía emitida son iguales para los cuerpos negros ya que un cuerpo negro no refleja ninguna radiación.

27) ¿Qué son las resistencias a la radiación de las superficies y del espacio? ¿Cómo se expresan? ¿Para qué clases de superficies la resistencia a la radiación de ellas es cero?

La resistencia de la superficie de radiación se da como y representa la resistencia de una superficie a la emisión de radiación. Es cero para superficies negras. La resistencia espacial es la resistencia a la radiación entre dos superficies y se expresa como

28) ¿Por qué es más o menos fácil el análisis relativo a la radiación de los recintos cerrados que constan de superficies negras? En este caso, ¿cómo se expresa la razón de la transferencia de calor por radiación? El análisis del intercambio de radiación entre superficies negras es relativamente fácil debido a la ausencia de reflexión.El índice de transferencia de calor de radiación entre dos superficies en este caso se expresa como 𝑄̇ = A1F12σ (T14 -T2 4) donde A1 es el área de superficie, F12 es el factor de vista, y T1 y T2 son las temperaturas de dos superficies

29) ¿Qué es una superficie reirradiante? ¿Qué simplificaciones ofrece una superficie de este tipo en el análisis relativo a la radiación? Algunas superficies encontradas en numerosas aplicaciones prácticas de transferencia de calor se modelan como adiabáticas ya que los lados posteriores de estas superficies están bien aislados y la transferencia neta de calor a través de estas superficies es cero. Cuando los efectos de convección en el lado frontal (transferencia de calor) de dicha superficie son despreciables y se alcanzan condiciones de estado estacionario, la superficie debe perder tanta energía de radiación como la que recibe. Dicha superficie se llama superficie reirradiante. En el análisis de radiación, la resistencia superficial de una superficie reirradiante se toma como cero ya que no hay transferencia de calor a través de ella. Intercambio de radiación con gases absorbentes y emisores.

30) ¿En qué se diferencia la transferencia de calor por radiación a través de un medio participante de la que se da a través de un medio no participante? Un medio no participante es completamente transparente a la radiación térmica y, por lo tanto, no emite, absorbe ni dispersa la radiación. Un medio participante, por otro lado, emite y absorbe radiación en todo su volumen.

Problemas – Radiación.

1) El zafiro sintético transmite el 85 por 100 de la radiación térmica incidente entre 0,2 y 5,5μm.Supóngase que a través de una ventana de cuarzo se ve un foco de calor. ¿Qué flujo de calor en vatios se transmitirá a través del material desde los focos de radiación de cuerpo negro a (a) 800°C (b) 550°C (c) 250°C y (d) 70°C? a) λ2T= (5.5)(1073)=5901,5

Ebo-λ2=0,72921

qtrans= (0,72921) (0.85)(75.150)=46.580 W/m2 b) λ2T= (5.5) (823)=4527

Ebo-λ2=0,5684

qtrans= (0,5684) (0.85)(26.007)=12,565 W/m2 c) λ2T= (5.5) (523)=2877

Ebo-λ2=0,24497

qtrans= (0,24497) (0.85)(4241)=883 W/m2 d) λ2T= (5.5)(343)=1887

Ebo-λ2=0,05059

qtrans= (0,05059) (0.85)(784,7)=33,74 W/m2

2)Dos discos paralelos de 60 cm de diámetro distan 15 cm y están dentro de una habitación grande a 30°C. Las propiedades de las superficies son T= 540°C ; ε= 0,7 ; T= 300 °C ; ε= 0,5. Si el disco 2 es un reflector perfectamente especular, ¿cuál es el calor neto transferido por radiación en cada superficie? (No debe incluirse el intercambio por la cara posterior, solo el de las superficies enfrentadas).

Fluidos no newtonianos 1) ¿De qué se ocupa la reología? De ejemplos.

2) ¿En qué se distinguen los fluidos newtonianos de los reológicos? 3) ¿En líneas generales, a qué se debe la complejidad en el comportamiento de un fluido no newtoniano? De ejemplos de fluidos complejos. 4) ¿Qué relaciona el número de Deborah? ¿Qué información brinda un De >> 1?

5) ¿De qué depende la viscosidad en un fluido no newtoniano? 6) Distinga el sólido elástico ideal (sólido de Hooke) del fluido viscoso simple (fluido de Newton). 7) Explique el concepto “tiempo de relajación”. De ejemplos. 8) ¿En qué se distinguen los fluidos simples de los líquidos poliméricos? 9) Enuncie ejemplos de fenómenos de flujo típicos de líquidos macromoleculares. 10) En la Figura inferior, asocie las curvas correspondientes de cada gráfico. Nombre cada comportamiento y de ejemplos de cada uno.