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Escuela Superior Politécnica del litoral

PROYECTO DE FISICA B

TEMA: Transferencia de calor por radiación.

INTEGRANTES: Bajaña Quinto Madelyne Mendoza Villavicencio Jorge Acosta Mazón Matheus

PROFESOR: Ing. Bolívar Flores

Guayaquil - Ecuador 2015-2016

Índice

Índice ................................................................................................................. 2 Resumen ........................................................................................................... 3 Marco Teórico ................................................................................................... 4 Procedimiento .................................................................................................. 5 Datos, Cálculos y Resultados: ........................................................................ 5 Conclusiones .................................................................................................... 6 Recomendaciones............................................................................................ 6 Bibliografía........................................................................................................ 6 Anexos .............................................................................................................. 7

Resumen La luz visible, el infrarrojo y la radiación ultravioleta, son ondas electromagnéticas de diferente frecuencia y que poseen diferente cantidad de energía. Los cuerpos pueden transferir energía por medio de ondas electromagnéticas. A este tipo de transferencia de energía se le llama Radiación. La mayor parte de la energía se transfiere por medio de ondas de infrarrojo. Mientras más caliente se encuentre el objeto, las ondas electromagnéticas que emite poseen una menor longitud de onda hasta que poseen la suficiente energía para emitir una luz visible. La tasa de transferencia de energía por radiación es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura, lo que demuestra la fuerte relación entre la trasferencia. Así mismo, es proporcional a su área superficial y al material que se utilice. A esto se le llama emisividad del material, cuyo valor se encuentra entre 0 y 1. En el presente proyecto se explica el proceso de trasferencia de energía en forma de radiación, y se demuestra que la mayor parte de la energía se transfiere en forma luz infrarrojo. Para este fin se utilizaron espejos cóncavos para enfocar la luz hacia un objeto preparado previamente para que empiece la ignición.

Marco Teórico Ley De Stefan-Boltzmann La radiación es la transferencia de energía a través del espacio por medio de ondas electromagnéticas como la luz visible, el infrarrojo y la radiación ultravioleta. Los sólidos y los líquidos tienden a absorber la radiación que está siendo transferida a través de ellos, lo cual la hace importante en la transferencia a través del espacio o de gases. Considerar que la transferencia de radiación de una superficie es proporcional a su 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 (Kelvin). Esto se conoce como la Ley De Stefan-Boltzmann que se escribe como:

H=AeσT4

(Corriente de calor por radiación)

Donde σ es la constante física fundamental llamada constante de StefanBoltzmann, el valor numérico actual de σ es:

σ = 5.67x10-8 [W/m2 . K4]

e

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, 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

Ty

el ambiente a una temperatura To, la energía neta ganada o perdida por segundo como resultado de la radiación es:

H=Aeσ(T4 - To4) 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. (biblioteca usac, 2015) Un absorbedor perfecto se llama cuerpo, que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiación que llega a su superficie y su emisividad es igual a uno. Una buena aproximación de un cuerpo negro es el interior de un objeto hueco, 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.

Procedimiento En este experimento podemos observar como la radiación del halógeno es transportada hacia otro lado mediante espejos cóncavos con el fin de transmitir calor del espejo emisor al espejo receptor. Para esto debemos de tener:     

2 espejos cóncavos Una lámpara halógena en este caso utilizamos una dicroica de 50 W. Soportes para cada uno de los espejos Un termómetro Un pequeño soporte para el papel.

Empezamos por ubicar los espejos en sus respectivas bases, lo siguiente fue ubicar la lámpara exactamente en el foco de uno de los espejos para que este haga la reflexión hacia el otro espejo que está ubicado en la misma dirección reflejándose el uno al otro. Ubicamos el fragmento de papel en el soporte que está en la base del espejo receptor, aquel soporte debe estar ubicado justamente en el foco como la lámpara halógena en el emisor. Inmediatamente encendemos la lámpara y vemos como este fragmento comienza a consumirse por la alta radiación emitida hacia el espejo receptor, tiene que ser un punto fijo, esto se debe a la alta radiación infrarroja que tiene la lámpara halógena que es aproximadamente 3000K. Por ultimo comprobamos la temperatura en el espejo receptor con el termómetro, y observamos una rápida elevación de temperatura, esto nos ayudará para calcular la potencia con la que llega dicho rayos infrarrojos.

Datos, Cálculos y Resultados: ¿Cuál es la temperatura final que transmite la lámpara halógena del espejo emisor al espejo receptor? La última temperatura que pudimos observar con el termómetro en el espejo receptor fue de 80ºC

¿Calcular la tasa total de emisión de energía por radiación? Datos: T=80ºC T=353ºK A=0.09cm σ=5.67x10-8 W/m2K4 𝖊=1

𝐻 = 𝐴𝖊𝝈𝑻𝟒 𝐻 = (0.09)2 [𝑚2 ](1)(5.67𝑥10−8 )[W/m2 𝐾4 ](353)4 [𝐾 4 ] 𝐻 = 7.13 𝑊

Conclusiones    



Todos los cuerpos emiten energía en forma de radiación electromagnética. La mayor parte de la energía que se utiliza para elevar la temperatura del papel, es aportada por la radiación infrarroja. La tasa de transferencia de calor por radiación es directamente proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. En nuestro experimento, el papel no llegó a quemarse debido a que no se pudo enfocar la luz en un área menor, el área calculada fue de aproximadamente 10cm. Logramos demostrar la ley de Stefan-Boltzmann mediante un fragmento de plástico negro y lo que sucede si en lugar del plástico negro ponemos plástico de otro color.

Recomendaciones Para que la lámpara halógena pueda transferir la suficiente energía en forma de radiación al espejo cóncavo receptor, es necesario que la lámpara este en todo el foco del espejo cóncavo emisor, así mismo el soporte para el papel debe estar ubicado en el foco del espejo receptor, también la lámpara halógena no puede estar en contacto con objetos, ya que estos interfieren y el calor se concentra en esos objetos.

Bibliografía biblioteca usac. (septiembre de 2015). biblioteca.usac.edu.gt. Obtenido de http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_0130_ME.pdf

Anexos

Ubicación de los espejos cóncavos en sus respectivas bases, los espejos tienen que ser simétricos.

Ubicación de la lámpara halógena en el foco del espejo cóncavo emisor.

Prueba de que no puede haber un objeto en contacto con la lámpara halógena, ya que este interfiere al momento de transmitir el calor.

Proyecto Final en funcionamiento