A radiação térmica é a energia transmitida por um corpo com sua temperatura e os comprimentos de onda do espectro eletromagnético infravermelho. Todos os corpos, sem exceção, emitem alguma radiação infravermelha, por mais baixa que seja a temperatura.
Acontece que, quando estão em movimento acelerado, as partículas eletricamente carregadas oscilam e, graças à sua energia cinética, emitem continuamente ondas eletromagnéticas.
A única maneira de um corpo não emitir radiação térmica é que suas partículas estejam em repouso total. Dessa maneira, sua temperatura seria 0 na escala Kelvin, mas reduzir a temperatura de um objeto a tal ponto é algo que ainda não foi alcançado.
Propriedades de radiação térmica
Uma propriedade notável que distingue esse mecanismo de transferência de calor de outros é que ele não requer um meio material para produzi-lo. Assim, a energia emitida pelo Sol, por exemplo, viaja 150 milhões de quilômetros pelo espaço e atinge a Terra continuamente.
Existe um modelo matemático para saber a quantidade de energia térmica por unidade de tempo que um objeto irradia:
P = A σe T 4
Essa equação é conhecida como lei de Stefan e nela aparecem as seguintes magnitudes:
– Energia térmica por unidade de tempo P , que é conhecida como potência e cuja unidade no Sistema Internacional de Unidades é watt ou watt (W).
-A área de superfície do objeto que emite calor A , em metros quadrados.
-Uma constante, chamada constante Stefan – Boltzman , denotada por σ e cujo valor é 5.66963 x10 -8 W / m 2 K 4 ,
-A emissividade (também chamada emissividade ) do objeto e , uma quantidade adimensional (sem unidades) cujo valor está entre 0 e 1. Está relacionada à natureza do material: por exemplo, um espelho possui baixa emissividade, enquanto um corpo muito escuro possui alta emissividade.
-E finalmente a temperatura T em Kelvin.
Exemplos de radiação térmica
Segundo a lei de Stefan, a taxa em que um objeto irradia energia é proporcional à área, à emissividade e à quarta potência da temperatura.
Como a taxa de emissão de energia térmica depende da quarta potência de T, é evidente que pequenas mudanças de temperatura terão um efeito enorme na radiação emitida. Por exemplo, se a temperatura dobrar, a radiação aumentará 16 vezes.
Um caso especial da lei de Stefan é o radiador perfeito, um objeto completamente opaco chamado corpo negro , cuja emissividade é exatamente 1. Nesse caso, a lei de Stefan se parece com isso:
P = A σ T 4
Acontece que a lei de Stefan é um modelo matemático que descreve aproximadamente a radiação emitida por qualquer objeto, uma vez que considera a emissividade como uma constante. A emissividade realmente depende do comprimento de onda da radiação emitida, do acabamento da superfície e de outros fatores.
Quando e é considerado constante e a lei de Stefan é aplicada conforme indicado no início, o objeto é chamado de corpo cinza .
Os valores de emissividade para algumas substâncias tratadas como corpo cinza são:
-0.05 alumínio polido
-Carvão preto 0,95
-Pele humana de qualquer cor 0,97
-Madeira 0,91
-Gelo 0,92
-Água 0,91
-Cobre entre 0,015 e 0,025
-Aço entre 0,06 e 0,25
A radiação térmica do sol
Um exemplo tangível de um objeto que emite radiação térmica é o Sol. Estima-se que aproximadamente 1370 J de energia na forma de radiação eletromagnética chegue à Terra a partir do Sol a cada segundo.
Esse valor é conhecido como constante solar e cada planeta possui um, que depende de sua distância média do Sol.
Essa radiação passa através de cada m 2 das camadas atmosféricas perpendicularmente e é distribuída em vários comprimentos de onda.
Quase tudo vem na forma de luz visível, mas boa parte chega como radiação infravermelha, que é precisamente o que percebemos como calor, e outra também como raios ultravioleta. É uma grande quantidade de energia suficiente para atender às necessidades do planeta, a fim de capturá-lo e usá-lo convenientemente.
Em termos de comprimento de onda, estas são as faixas dentro das quais a radiação solar que atinge a Terra é encontrada:
– Infravermelho , que percebemos como calor: 100 – 0,7 μm *
– Luz visível , entre 0,7 – 0,4 μm
– Ultravioleta , menos de 0,4 μm
* 1 μm = 1 micrômetro ou um milionésimo de metro.
Lei de Viena
A imagem a seguir mostra a distribuição da radiação em relação ao comprimento de onda para várias temperaturas. A distribuição obedece à lei de deslocamento de Wien, segundo a qual o comprimento de onda da radiação máxima λ max é inversamente proporcional à temperatura T em kelvin:
X max = 2.898. 10 −3 m⋅K
O Sol tem uma temperatura de superfície de aproximadamente 5700 K e irradia principalmente em comprimentos de onda mais curtos, como vimos. A curva mais próxima da do Sol é a de 5000 K, em azul e, é claro, tem o máximo na faixa de luz visível. Mas também emite uma boa parte no infravermelho e no ultravioleta.
Aplicações de radiação térmica
Energia solar
A grande quantidade de energia que o Sol irradia pode ser armazenada em dispositivos chamados coletores e, em seguida, convenientemente transformada e usada como energia elétrica.
Câmeras infravermelhas
São câmeras que, como o nome indica, operam na região de infravermelho, em vez de sob luz visível, como as câmeras comuns. Eles aproveitam o fato de que todos os corpos emitem radiação térmica em maior ou menor grau, dependendo de sua temperatura.
Pirometria
Se as temperaturas forem muito altas, medi-las com um termômetro de mercúrio não é a melhor opção. Para isso, são preferidos pirômetros , através dos quais a temperatura de um objeto é deduzida sabendo sua emissividade, graças à emissão de um sinal eletromagnético.
Astronomia
A luz das estrelas é modelada muito bem com a aproximação do corpo negro, assim como de todo o universo. E, por sua vez, a lei de Wien é freqüentemente usada em astronomia para determinar a temperatura das estrelas, de acordo com o comprimento de onda da luz que elas emitem.
Indústria militar
Os mísseis são direcionados ao alvo por meio de sinais infravermelhos que buscam detectar as áreas mais quentes dos aviões, como motores, por exemplo.
Referências
- Giambattista, A. 2010. Física. 2nd. Ed. McGraw Hill.
- Gómez, E. Condução, convecção e radiação. Recuperado de: eltamiz.com.
- González de Arrieta, I. Aplicações de radiação térmica. Recuperado de: www.ehu.eus.
- Observatório da Terra da NASA. Clima e orçamento energético da Terra. Recuperado de: earthobservatory.nasa.gov.
- Natahenao. Aplicações de calor. Recuperado de: natahenao.wordpress.com.
- Serway, R. Física para Ciência e Engenharia. Volume 1. 7th. Ed. Cengage Learning.