Aplicaciones de la radiación térmica

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Aplicaciones de la radiación térmica

Energía solar

El grueso de la investigación actual en energía es el desarrollo de métodos y tecno-log as más e cientos y baratas para transformar, transportar y almacenar la energía. En el caso concreto de la energía solar, las características radiactivas de los materiales usados en los colectores son de una importancia capital en la mejora de su rendimiento. Los colectores absorben la energía del sol, con lo que interesa que su absortividad (y, por tanto, emisividad) sea máxima en la región del espectro electromagnético ocupado por la radiación solar. A su vez, el colector solar radia y pierde energía, con lo que interesa que su emisividad sea mínima en la región ocupada por su propio espectro. Mientras que el sol (a 5000K) emite en el visible y ultravioleta, el colector solar, con una temperatura de unos 200 300oC, emite en el infrarrojo. Por tanto, un material con una emisividad selectiva como la indicada abajo optimiza el aprovechamiento de la energía solar.

Los materiales empleados para esto suelen ser compuestos multicapa con una estructura muy compleja. La investigación en este tipo de materiales es hoy d a un campo muy activo, con ingentes cantidades de trabajo para optimizar cada vez más las propiedades de los colectores solares.

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Distribución espectral de la emisividad de un colector solar (en rojo). Las intensidades del Sol (verde) y el colector (azul) no están a escala y su forma es solo aproximada. Se observa como la gura maximiza la absorción del Sol y minimiza las pérdidas del colector. (Fuente: elaboración propia).

Recubrimientos térmicos

La investigación en materiales para la energía no acaba con la búsqueda de compuestos que maximicen el rendimiento de la producción de energía en las plantas solares, sino que también es muy importante el aprovechamiento de energía en el lugar en el que se vaya a usar. En este aspecto, la búsqueda de aislantes térmicos lo su ciertamente buenos y baratos como para ser producidos en masa es vital.

Para ver el papel que juega la radiación térmica en los aislamientos basta con recurrir a los invernaderos. Un invernadero funciona de forma muy similar a una placa solar:

Tiene una emisividad selectiva que permite absorber el máximo de energía solar y emitir la menor posible, teniendo en cuenta que el sol y las plantas del invernadero están a temperaturas muy diferentes, con lo que emiten en regiones distintas del espectro electromagnético.

El principal escollo en la investigación de materiales para aislamiento térmico es el coste, ya que se conocen en la actualidad materiales extremadamente e cientos, pero que no se pueden producir en cantidades su sientes para aislar millones de casas y miles de millones de ventanas.

Hemos hablado de aislamientos térmicos, pero hay otros tipos de recubrimientos térmicos cuyo objetivo no es aislar el interior para ahorrar energía. Un ejemplo claro y muy vistoso son los satélites artificiales. En este caso, el papel del recubrimiento térmico es proteger el equipo electrónico del interior de una excesiva insolación, pero también refrigerar dicho equipo, que se calienta a s mismo por efecto Joule. Teniendo en cuenta que en el espacio no hay apenas materia, la única forma de liberar calor es mediante

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radiación. Por tanto, la búsqueda de materiales con propiedades radiactivas óptimas es absolutamente crucial para la investigación espacial.

El espectro electromagnético

Todas las sustancias emiten radiación electromagnética debida a la agitación atómica y molecular asociada a la energía interna del material. Las radiaciones electromagnéticas se clasifican por su longitud de onda, λ (radio AM, entre decenas de metros y 10-14 m, rayos cósmicos), su frecuencia (ν = c /λ ) y su número de onda (1/λ ). Se propagan a la velocidad de la luz, c. La región de interés como radiación térmica incluye una parte de la franja de onda larga del ultravioleta, la región visible (0.4-0.7 micrómetros), y el rango infrarrojo, que se extiende desde el extremo rojo del espectro visible hasta 1000 µm. En el espectro visible los colores tienen las longitudes de onda aproximadas: 0,43 µm (violeta), 0,53 µm (verde), 0,64 µm (rojo). Infrarrojo cercano: hasta 25 µm, e infrarrojo lejano es el resto. Radiación de cuerpo negro Cuando incide radiación sobre un cuerpo, una parte es reflejada El resto puede ser absorbida, pero si el espesor del cuerpo es pequeño habrá una parte transmitida. La parte absorbida pasa a ser energía interna del cuerpo dentro de una delgada capa superficial. El cuerpo que no transmite energía se llama opaco. Los metales tienen una alta opacidad, pero también una gran capacidad reflectante.

Cuerpo negro

Un cuerpo negro es el que absorbe toda la radiación incidente. Será por lo tanto, opaco y su capacidad reflectante será nula. Esto ocurrirá para radiaciones de todas las longitudes de onda y provenientes de todas direcciones. Es en consecuencia, un absorbedor perfecto para toda radiación incidente. Otras propiedades del CN Emisor perfecto Considerando un cuerpo negro encerrado en una cavidad aislada y evacuada, compuesta también de paredes negras, El CN y la cavidad alcanzarán la misma temperatura, que será uniforme y constante en el tiempo. Para que esto ocurra, el CN debe radiar exactamente la misma energía que absorbe. Esto debe ser así, ya que no puede haber un flujo neto de calor entre dos cuerpos a igual temperatura. Por lo tanto, ya que el cuerpo por definición absorbe la máxima energía posible, debe estar emitiendo también la máxima energía posible. (Un absorbedor no perfecto emitiría menos energía para quedar en equilibrio)

Isotropía de radiación en la cavidad negra

Si movemos el CN a otra posición y lo rotamos (dentro de la cavidad) su temperatura no debe variar debido a que la cavidad sigue siendo isoterma. Por lo tanto el CN debe estar emitiendo la misma radiación que antes. Además debe estar recibiendo la misma energía radiante desde las paredes. Luego, la radiación que viaja en cualquier trayectoria dentro de la cavidad es independiente de la posición y dirección. Esto implica que la radiación