Transferência de calor por radiação (com exemplos) - Ciência - 2023

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o transferência de calor por radiação consiste no fluxo de energia por meio de ondas eletromagnéticas. Como essas ondas podem se mover através do vácuo à velocidade da luz, elas também podem transmitir calor.

As ondas eletromagnéticas têm todo um continuum de comprimentos de onda, chamados espectro e isso vai desde os comprimentos de onda mais longos e menos energéticos, até os mais curtos e energéticos.

Entre eles está a radiação infravermelha, uma faixa próxima à faixa de comprimento de onda visível ou luz, mas abaixo dela. Desta forma, grandes quantidades de calor do Sol atingem a Terra, cruzando milhões de quilômetros.

Mas não só objetos incandescentes como o Sol emitem calor na forma de radiação, na verdade qualquer objeto o faz continuamente, só que quando a temperatura está baixa o comprimento de onda é grande e, portanto, a energia, que é inversamente proporcional a ela. , é pequena.

Como o calor é transmitido por radiação?

Quando os elétrons vibram, eles emitem ondas eletromagnéticas. Se as ondas são de baixa frequência, equivale a dizer que seu comprimento de onda é longo e o movimento da onda é lento, portanto tem pouca energia. Mas se a frequência aumenta, a onda se move mais rápido e tem mais energia.

Um objeto com uma certa temperatura T emite radiação com frequência F, de maneira que T Y F eles são proporcionais. E uma vez que as ondas eletromagnéticas não precisam de um meio material para se propagar, os fótons infravermelhos, que são responsáveis pela propagação da radiação, podem se mover sem problemas no vácuo.

É assim que a radiação do Sol atinge a Terra e os outros planetas. Porém, com a distância, as ondas se atenuam e a quantidade de calor diminui.

Lei de Stefan e Lei de Wien

o lei de stefan afirma que a potência irradiada P (em todos os comprimentos de onda) é proporcional a T⁴, de acordo com a expressão:

P =PARAσeT⁴

Nas unidades do Sistema Internacional, a potência é em watts (W) e a temperatura em Kelvin (K). Nesta equação, A é a área da superfície do objeto, σ é a constante de Stefan - Boltzman, que é 5,66963 x10^-8 W / m² K⁴,

Finalmente e é o emissividade ou emitância do objeto, um valor numérico sem unidades, entre 0 e 1. O valor é dado de acordo com o material, visto que corpos muito escuros possuem alta emissividade, ao contrário de um espelho.

Fontes de radiação, como o filamento de uma lâmpada ou o Sol, emitem radiação em muitos comprimentos de onda.A do Sol está quase inteiramente na região visível do espectro eletromagnético.

Entre o comprimento de onda máximo λ_max e a temperatura T do emissor existe uma relação dada pela lei de Wien:

λ_max ∙ T = 2,898. 10 ⁻³ m⋅K

Radiação de um corpo negro

A figura a seguir mostra as curvas de emissão de energia em função da temperatura em kelvin, para um objeto ideal que absorve toda a radiação que o atinge e, por sua vez, é um emissor perfeito. Este objeto é chamado corpo negro.

Os espaços entre os carvões das brasas de uma fornalha se comportam como emissores ideais de radiação, do tipo corpo negro, com uma aproximação bastante próxima. Numerosos experimentos foram feitos para determinar as diferentes curvas de temperatura e suas respectivas distribuições de comprimento de onda.

Como pode ser visto, quanto maior a temperatura, menor o comprimento de onda, maior a frequência e a radiação tem mais energia.

Supondo que o Sol se comporte como um corpo negro, entre as curvas mostradas na figura, a que mais se aproxima da temperatura da superfície solar é 5.500 K. Seu pico está no comprimento de onda de 500 nm ( nanômetros).

A temperatura da superfície solar é de aproximadamente 5700 K. Pela lei de Wien:

λ_max = 2.898 × 10 ⁻³ m⋅K / 5700 K = 508,4 nm

Este resultado concorda aproximadamente com o visto no gráfico. Este comprimento de onda pertence à região visível do espectro, porém, deve-se ressaltar que representa apenas o pico da distribuição. Na verdade, o Sol irradia a maior parte de sua energia entre os comprimentos de onda infravermelho, visível e ultravioleta.

Exemplos de transferência de calor por radiação

Todos os objetos, sem exceção, emitem alguma forma de radiação de calor, no entanto, alguns são emissores muito mais notáveis:

Fogões elétricos, torradeiras e aquecedores elétricos

A cozinha é um bom local para estudar os mecanismos de transferência de calor, por exemplo, a radiação é vista aproximando (cuidadosamente) a mão do queimador elétrico que brilha na cor laranja. Ou também grelhado na churrasqueira.

Elementos resistivos em aquecedores elétricos, torradeiras e fornos também ficam quentes e brilham em laranja, também transmitindo calor por radiação.

Lâmpadas incandescentes

O filamento das lâmpadas incandescentes atinge altas temperaturas, entre 1200 e 2500 ºC, emitindo energia distribuída em radiação infravermelha (a maior parte) e luz visível, laranja ou amarela.

O sol

O Sol transmite calor por radiação para a Terra, através do espaço que os separa. Na verdade, a radiação é o mecanismo de transferência de calor mais importante em quase todas as estrelas, embora outros, como a convecção, também desempenhem um papel importante.

A fonte de energia dentro do Sol é o reator de fusão termonuclear no núcleo, que libera grandes quantidades de energia por meio da conversão de hidrogênio em hélio. Grande parte dessa energia está na forma de luz visível, mas, como explicado anteriormente, os comprimentos de onda ultravioleta e infravermelho também são importantes.

A terra

O planeta Terra também é um emissor de radiação, embora não tenha um reator em seu centro, como o sol.

As emissões terrestres são devidas à decomposição radioativa de vários minerais dentro dela, como urânio e rádio. É por isso que o interior das minas profundas é sempre quente, embora essa energia térmica seja de frequência menor do que a emitida pelo sol.

Como a atmosfera terrestre é seletiva com diferentes comprimentos de onda, o calor do Sol chega à superfície sem problemas, já que a atmosfera deixa passar as frequências mais altas.

No entanto, a atmosfera é opaca à radiação infravermelha de baixa energia, como a produzida na Terra por causas naturais e por mãos humanas. Ou seja, não o deixa escapar para o exterior e, portanto, contribui para o aquecimento global do planeta.

Referências

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