Emisividad - Emissivity

Los herreros trabajan el hierro cuando está lo suficientemente caliente como para emitir radiación térmica claramente visible .

La emisividad de la superficie de un material es su efectividad para emitir energía como radiación térmica . La radiación térmica es una radiación electromagnética que puede incluir tanto la radiación visible (luz) como la radiación infrarroja , que no es visible para los ojos humanos. La radiación térmica de objetos muy calientes (ver fotografía) es fácilmente visible a simple vista. Cuantitativamente, la emisividad es la relación entre la radiación térmica de una superficie y la radiación de una superficie negra ideal a la misma temperatura dada por la ley de Stefan-Boltzmann . La relación varía de 0 a 1. La superficie de un cuerpo negro perfecto (con una emisividad de 1) emite radiación térmica a una tasa de aproximadamente 448 vatios por metro cuadrado a temperatura ambiente (25 ° C, 298,15 K); todos los objetos reales tienen emisividades inferiores a 1,0 y emiten radiación a tasas correspondientemente más bajas.

Las emisividades son importantes en varios contextos:

  • Ventanas aisladas : las superficies cálidas generalmente se enfrían directamente con el aire, pero también se enfrían a sí mismas emitiendo radiación térmica. Este segundo mecanismo de enfriamiento es importante para ventanas de vidrio simples, que tienen emisividades cercanas al valor máximo posible de 1.0. Las "ventanas de baja emisividad " con revestimientos transparentes de baja emisividad emiten menos radiación térmica que las ventanas normales. En invierno, estos revestimientos pueden reducir a la mitad la velocidad a la que una ventana pierde calor en comparación con una ventana de vidrio sin revestimiento.
Sistema de calentamiento solar de agua basado en colectores de tubos de vidrio al vacío . La luz solar es absorbida dentro de cada tubo por una superficie selectiva. La superficie absorbe la luz solar casi por completo, pero tiene una emisividad térmica baja, por lo que pierde muy poco calor. Las superficies negras comunes también absorben la luz solar de manera eficiente, pero emiten radiación térmica en abundancia.
  • Colectores solares de calor : de forma similar, los colectores solares de calor pierden calor al emitir radiación térmica. Los colectores solares avanzados incorporan superficies selectivas que tienen emisividades muy bajas. Estos colectores desperdician muy poca energía solar a través de la emisión de radiación térmica.
  • Blindaje térmico : para la protección de estructuras contra altas temperaturas superficiales, como naves espaciales reutilizables o aeronaves hipersónicas , se aplican recubrimientos de alta emisividad (HEC), con valores de emisividad cercanos a 0,9, en la superficie de las cerámicas aislantes. Esto facilita el enfriamiento radiativo y la protección de la estructura subyacente y es una alternativa a los recubrimientos ablativos, utilizados en cápsulas de reentrada de un solo uso .
  • Temperaturas planetarias : los planetas son colectores solares térmicos a gran escala. La temperatura de la superficie de un planeta está determinada por el equilibrio entre el calor absorbido por el planeta de la luz solar, el calor emitido desde su núcleo y la radiación térmica emitida de regreso al espacio. La emisividad de un planeta está determinada por la naturaleza de su superficie y atmósfera.
  • Mediciones de temperatura: los pirómetros y las cámaras infrarrojas son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura de un objeto utilizando su radiación térmica; no es necesario un contacto real con el objeto. La calibración de estos instrumentos involucra la emisividad de la superficie que se está midiendo.

Definiciones matemáticas

Emisividad hemisférica

La emisividad hemisférica de una superficie, denotada ε , se define como

dónde

  • M e es la salida radiante de esa superficie;
  • M e ° es la salida radiante de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie.

Emisividad hemisférica espectral

La emisividad hemisférica espectral en frecuencia y la emisividad hemisférica espectral en la longitud de onda de una superficie, indicadas ε ν y ε λ respectivamente, se definen como

dónde

Emisividad direccional

La emisividad direccional de una superficie, denotada ε Ω , se define como

dónde

  • L e, Ω es el resplandor de esa superficie;
  • L e, Ω ° es el resplandor de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie.

Emisividad direccional espectral

La emisividad direccional espectral en frecuencia y la emisividad direccional espectral en la longitud de onda de una superficie, indicadas ε ν, Ω y ε λ, Ω respectivamente, se definen como

dónde

  • L e, Ω, ν es la radiancia espectral en frecuencia de esa superficie;
  • L e, Ω, ν ° es el resplandor espectral en frecuencia de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie;
  • L e, Ω, λ es la radiancia espectral en longitud de onda de esa superficie;
  • L e, Ω, λ ° es la radiación espectral en longitud de onda de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie.

Emisividades de superficies comunes

Las emisividades ε se pueden medir utilizando dispositivos simples como el cubo de Leslie junto con un detector de radiación térmica como una termopila o un bolómetro . El aparato compara la radiación térmica de una superficie que se va a probar con la radiación térmica de una muestra negra casi ideal. Los detectores son esencialmente absorbentes negros con termómetros muy sensibles que registran el aumento de temperatura del detector cuando se exponen a radiación térmica. Para medir las emisividades de temperatura ambiente, los detectores deben absorber la radiación térmica por completo en longitudes de onda infrarrojas cercanas a 10 × 10 −6 metros. La luz visible tiene un rango de longitud de onda de aproximadamente 0,4 a 0,7 × 10 −6 metros desde el violeta hasta el rojo intenso.

Las mediciones de emisividad para muchas superficies se compilan en muchos manuales y textos. Algunos de estos se enumeran en la siguiente tabla.

Fotografías de un cubo de Leslie de aluminio . Las fotografías en color se toman con una cámara de infrarrojos; las fotografías en blanco y negro de abajo se toman con una cámara normal. Todas las caras del cubo están a la misma temperatura de aproximadamente 55 ° C (131 ° F). La cara del cubo que se ha pintado de negro tiene una gran emisividad, que se indica por el color rojizo en la fotografía infrarroja. La cara pulida del cubo tiene una emisividad baja indicada por el color azul, y la imagen reflejada de la mano cálida es clara.
Material Emisividad
Papel de aluminio 0,03
Aluminio, anodizado 0,9
Asfalto 0,88
Ladrillo 0,90
Concreto, rugoso 0,91
Cobre pulido 0,04
Cobre oxidado 0,87
Vidrio , liso (sin recubrimiento) 0,95
Hielo 0,97
Caliza 0,92
Mármol (pulido) 0,89 hasta 0,92
Pintura (incluida la blanca) 0,9
Papel, techado o blanco 0,88 hasta 0,86
Yeso , rugoso 0,89
Plata , pulida 0,02
Plata oxidada 0,04
Piel, Humana 0,97 hasta 0,999
Nieve 0,8 hasta 0,9
Disilicidas de metales de transición (por ejemplo, MoSi 2 o WSi 2 ) 0,86 hasta 0,93
Agua pura 0,96

Notas:

  1. Estas emisividades son las emisividades hemisféricas totales de las superficies.
  2. Los valores de las emisividades se aplican a materiales ópticamente gruesos . Esto significa que la absortividad en las longitudes de onda típicas de la radiación térmica no depende del grosor del material. Los materiales muy delgados emiten menos radiación térmica que los materiales más gruesos.

Absorción

Existe una relación fundamental ( la ley de radiación térmica de 1859 de Gustav Kirchhoff ) que equipara la emisividad de una superficie con su absorción de radiación incidente (la " absortividad " de una superficie). La Ley de Kirchhoff explica por qué las emisividades no pueden exceder 1, ya que la mayor absortividad, que corresponde a la absorción completa de toda la luz incidente por un objeto verdaderamente negro, también es 1. Las superficies metálicas similares a espejos que reflejan la luz tendrán bajas emisividades, ya que la luz reflejada la luz no se absorbe. Una superficie de plata pulida tiene una emisividad de aproximadamente 0,02 cerca de la temperatura ambiente. El hollín negro absorbe muy bien la radiación térmica; tiene una emisividad tan grande como 0,97 y, por tanto, el hollín es una aproximación justa a un cuerpo negro ideal.

Con la excepción de los metales desnudos y pulidos, la apariencia de una superficie al ojo no es una buena guía para las emisividades cercanas a la temperatura ambiente. Por tanto, la pintura blanca absorbe muy poca luz visible. Sin embargo, a una longitud de onda infrarroja de 10x10 −6 metros, la pintura absorbe muy bien la luz y tiene una alta emisividad. De manera similar, el agua pura absorbe muy poca luz visible, pero el agua es, no obstante, un fuerte absorbente de infrarrojos y tiene una emisividad correspondientemente alta.

Emisividad espectral direccional

Además de las emisividades hemisféricas totales compiladas en la tabla anterior, también se puede medir una " emisividad espectral direccional " más compleja . Esta emisividad depende de la longitud de onda y del ángulo de la radiación térmica saliente. La ley de Kirchhoff en realidad se aplica exactamente a esta emisividad más compleja: la emisividad de la radiación térmica que emerge en una dirección particular y en una longitud de onda particular coincide con la absortividad de la luz incidente en la misma longitud de onda y ángulo. La emisividad hemisférica total es un promedio ponderado de esta emisividad espectral direccional; el promedio se describe en los libros de texto sobre "transferencia de calor por radiación".

Emisión

La emisión (o potencia emisiva) es la cantidad total de energía térmica emitida por unidad de área por unidad de tiempo para todas las longitudes de onda posibles. La emisividad de un cuerpo a una temperatura dada es la relación entre el poder emisor total de un cuerpo y el poder emisor total de un cuerpo perfectamente negro a esa temperatura. Siguiendo la ley de Plancks , la energía total radiada aumenta con la temperatura, mientras que el pico del espectro de emisión se desplaza a longitudes de onda más cortas. La energía emitida en longitudes de onda más cortas aumenta más rápidamente con la temperatura. Por ejemplo, un cuerpo negro ideal en equilibrio térmico a 1273 K, emitirá el 97% de su energía en longitudes de onda por debajo de 14 μm.

El término emisividad se usa generalmente para describir una superficie simple y homogénea como la plata. Términos similares, emitancia y emitancia térmica , se utilizan para describir las mediciones de radiación térmica en superficies complejas como productos aislantes.

Unidades de radiometría SI

Cantidad Unidad Dimensión Notas
Nombre Símbolo Nombre Símbolo Símbolo
Energía radiante Q e joule J ML 2T −2 Energía de radiación electromagnética.
Densidad de energía radiante w correo julio por metro cúbico J / m 3 ML −1T −2 Energía radiante por unidad de volumen.
Flujo radiante Φ e vatio W = J / s ML 2T −3 Energía radiante emitida, reflejada, transmitida o recibida, por unidad de tiempo. A esto a veces también se le llama "energía radiante".
Flujo espectral Φ e, ν vatios por hercio W / Hz ML 2T −2 Flujo radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅nm −1 .
Φ e, λ vatio por metro W / m MLT −3
Intensidad radiante Yo e, Ω vatio por estereorradián W / sr ML 2T −3 Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido, por unidad de ángulo sólido. Esta es una cantidad direccional .
Intensidad espectral Yo e, Ω, ν vatios por estereorradián por hertz W⋅sr −1 ⋅Hz −1 ML 2T −2 Intensidad radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅sr −1 ⋅nm −1 . Esta es una cantidad direccional .
Yo e, Ω, λ vatio por estereorradián por metro W⋅sr −1 ⋅m −1 MLT −3
Resplandor L e, Ω vatio por estereorradián por metro cuadrado W⋅sr −1 ⋅m −2 MT −3 Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido por una superficie , por unidad de ángulo sólido por unidad de área proyectada. Esta es una cantidad direccional . Esto a veces también se llama de forma confusa "intensidad".
Radiación espectral L e, Ω, ν vatios por estereorradián por metro cuadrado por hertz W⋅sr −1 ⋅m −2 ⋅Hz −1 MT −2 Radiación de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅sr −1 ⋅m −2 ⋅nm −1 . Esta es una cantidad direccional . A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral".
L e, Ω, λ vatio por estereorradián por metro cuadrado, por metro W⋅sr −1 ⋅m −3 ML −1T −3
Densidad de flujo de irradiancia
E e vatio por metro cuadrado W / m 2 MT −3 Flujo radiante recibido por una superficie por unidad de área. Esto a veces también se llama de forma confusa "intensidad".
Irradiancia
espectral Densidad de flujo espectral
E e, ν vatio por metro cuadrado por hertz W⋅m −2 ⋅Hz −1 MT −2 Irradiancia de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral". Las unidades de densidad de flujo espectral no pertenecientes al SI incluyen jansky (1 Jy = 10 −26  W⋅m −2 ⋅Hz −1 ) y la unidad de flujo solar (1 sfu = 10 −22  W⋅m −2 ⋅Hz −1 = 10 4  Jy).
E e, λ vatio por metro cuadrado, por metro W / m 3 ML −1T −3
Radiosidad J e vatio por metro cuadrado W / m 2 MT −3 Flujo radiante que deja (emite, refleja y transmite) una superficie por unidad de área. Esto a veces también se llama de forma confusa "intensidad".
Radiosidad espectral J e, ν vatio por metro cuadrado por hertz W⋅m −2 ⋅Hz −1 MT −2 Radiosidad de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅m −2 ⋅nm −1 . A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral".
J e, λ vatio por metro cuadrado, por metro W / m 3 ML −1T −3
Exitance radiante M e vatio por metro cuadrado W / m 2 MT −3 Flujo radiante emitido por una superficie por unidad de área. Este es el componente emitido de la radiosidad. "Emitancia radiante" es un término antiguo para esta cantidad. Esto a veces también se llama de forma confusa "intensidad".
Exitancia espectral M e, ν vatio por metro cuadrado por hertz W⋅m −2 ⋅Hz −1 MT −2 Exitancia radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅m −2 ⋅nm −1 . "Emitancia espectral" es un término antiguo para esta cantidad. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral".
M e, λ vatio por metro cuadrado, por metro W / m 3 ML −1T −3
Exposición radiante H e julio por metro cuadrado J / m 2 MT −2 Energía radiante recibida por una superficie por unidad de área, o equivalentemente irradiancia de una superficie integrada en el tiempo de irradiación. A esto a veces también se le llama "fluencia radiante".
Exposición espectral Él , ν julio por metro cuadrado por hertz J⋅m −2 ⋅Hz −1 MT −1 Exposición radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en J⋅m −2 ⋅nm −1 . Esto a veces también se denomina "fluencia espectral".
Él , λ julio por metro cuadrado, por metro J / m 3 ML −1T −2
Emisividad hemisférica ε N / A 1 Exitancia radiante de una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie.
Emisividad hemisférica espectral ε ν
 o
ε λ
N / A 1 Exitancia espectral de una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie.
Emisividad direccional ε Ω N / A 1 Radiancia emitida por una superficie , dividida por la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie.
Emisividad direccional espectral ε Ω, ν
 o
ε Ω, λ
N / A 1 Radiación espectral emitida por una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie.
Absortancia hemisférica A N / A 1 Flujo radiante absorbido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia ".
Absortancia hemisférica espectral A ν
 o
A λ
N / A 1 Flujo espectral absorbido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia espectral ".
Absortancia direccional A Ω N / A 1 Resplandor absorbido por una superficie , dividido por el resplandor incidente sobre esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia ".
Absortancia direccional espectral A Ω, ν
 o
A Ω, λ
N / A 1 Radiación espectral absorbida por una superficie , dividida por la radiación espectral incidente sobre esa superficie. Esto no debe confundirse con " absorbancia espectral ".
Reflectancia hemisférica R N / A 1 Flujo radiante reflejado por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie.
Reflectancia hemisférica espectral R ν
 o
R λ
N / A 1 Flujo espectral reflejado por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie.
Reflectancia direccional R Ω N / A 1 Radiancia reflejada por una superficie , dividida por la recibida por esa superficie.
Reflectancia direccional espectral R Ω, ν
 o
R Ω, λ
N / A 1 Radiación espectral reflejada por una superficie , dividida por la recibida por esa superficie.
Transmitancia hemisférica T N / A 1 Flujo radiante transmitido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie.
Transmitancia hemisférica espectral T ν
 o
T λ
N / A 1 Flujo espectral transmitido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie.
Transmitancia direccional T Ω N / A 1 Radiancia transmitida por una superficie , dividida por la recibida por esa superficie.
Transmitancia direccional espectral T Ω, ν
 o
T Ω, λ
N / A 1 Radiación espectral transmitida por una superficie , dividida por la recibida por esa superficie.
Coeficiente de atenuación hemisférico μ metro recíproco m −1 L −1 Flujo radiante absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido por el recibido por ese volumen.
Coeficiente de atenuación hemisférica espectral μ ν
 o
μ λ
metro recíproco m −1 L −1 Flujo radiante espectral absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido por el recibido por ese volumen.
Coeficiente de atenuación direccional μ Ω metro recíproco m −1 L −1 Resplandor absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido por el recibido por ese volumen.
Coeficiente de atenuación direccional espectral μ Ω, ν
 o
μ Ω, λ
metro recíproco m −1 L −1 Radiación espectral absorbida y dispersada por un volumen por unidad de longitud, dividida por la recibida por ese volumen.
Ver también: SI  · Radiometría  · Fotometría

Ver también

Referencias

Otras lecturas

  • "Emisividad y emitancia espectral" . Southampton, PA: Temperatures.com, Inc. Archivado desde el original el 4 de abril de 2017.Un sitio web y un directorio abiertos centrados en la comunidad con recursos relacionados con la emisividad y la emitancia espectral. En este sitio, la atención se centra en los datos disponibles, referencias y enlaces a recursos relacionados con la emisividad espectral tal como se mide y utiliza en termometría de radiación térmica y termografía (imágenes térmicas).
  • "Coeficientes de emisividad de algunos materiales comunes" . engineeringtoolbox.com.Recursos, herramientas e información básica para la ingeniería y diseño de aplicaciones técnicas. Este sitio ofrece una lista extensa de otro material no cubierto anteriormente.