Práctica XV Radiación
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Este documento presenta información sobre la radiación térmica y la emisividad. Explica conceptos clave como cuerpos negros, la ley de Stefan-Boltzmann y valores de emisividad para diferentes materiales. También describe aplicaciones como la energía solar y recubrimientos térmicos. El objetivo de la práctica experimental descrita es calcular el calor por radiación de forma directa e indirecta, así como la emisividad de un objeto caliente utilizando un prototipo.
Práctica XV Radiación
- 1. Instituto Tecnológico de Mexicali Ingeniería Química Materia: Laboratorio Integral I Tema: Práctica Radiación: calor y emisividad Integrantes: Nombre del profesor Norman Edilberto Rivera Pazos Mexicali, B.C. a 8 de mayo de 2015 Aranda Sierra Claudia Janette Castillo Tapia Lucero Abigail Cruz Victorio Alejandro Joshua De La Rocha León Ana Paulina Guillén Carvajal Karen Michelle Lozoya Chávez Fernanda Viridiana Rubio Martínez José Luis 12490384 11490627 12490696 11490631 12940396 12490402 12490417
- 2. 1 Índice Práctica Título: “Radiación: calor y emisividad” Objetivo 2 Introducción 2 Marco teórico 3 Definición de radiación 3 Definición de cuerpo negro y gris 3 Ley de Stefan-Boltzmann 3 Constante de Stefan-Boltzmann 4 Emisividad 4 Valores de emisividad de algunos materiales 5 Importancias del factor forma en la radiación 6 Aplicaciones de la radiación 6 Prototipo 7 Material, equipo y reactivos 7 Procedimiento 7 Cálculos y resultados 7 Análisis 8 Observaciones 10 Evidencias 10 Bibliografía 11
- 3. 2 Práctica XIII Título: “Radiación: calor y emisividad” Objetivo: Calcular el calor por radiación de forma directa e indirecta, así como la emisividad del objeto caliente con el fin de compararlo con el valor teórico; gracias a un prototipo hecho. Objetivos específicos: Determinar el calor transmitido por conducción y convección con el fin de obtener el que es por radiación. Determinar el calor transmitido por radiación por valores teóricos y prácticos. Determinar el coeficiente de emisividad del metal utilizado. Introducción La transmisión del calor a través de la radiación se caracteriza porque la energía se transporta en forma de ondas electromagnéticas, que se propagan a la velocidad de la luz. El transporte de energía por radiación se puede realizar entre superficies separadas por el vacío; así por ejemplo, el Sol transmite energía a la Tierra por radiación a través del espacio que, una vez interceptada por la Tierra, se transforma en otras fuentes de energía. Sin embargo la radiación térmica suele considerarse como un fenómeno superficial para los sólidos que son opacos a la radiación térmica, como los metales, la madera y las rocas, ya que la radiación emitida por las regiones interiores de un material de este tipo nunca puede llegar a la superficie y la radiación incidente sobres esos cuerpos suele absorberse en unas cuantas micras hacia dentro en dichos sólidos. El estudio de la radiación térmica se basa en un modelo de radiador ideal, que recibe el nombre de cuerpo negro, con el cual pueden compararse los radiadores reales. Si bien no existe ningún cuerpo real que pueda identificarse con el cuerpo negro, en la práctica puede conseguirse una aproximación satisfactoria mediante una esfera hueca, provista por un pequeño orificio, con las paredes interiores pintadas de negro, además que a partir de experimentos han surgido fórmulas para calcular el calor transferido por este mecanismo, de la cual se hablará en esta práctica: La Ley de Stefan-Boltzmann.
- 4. 3 Marco teórico Definición de radiación La radiación es una emisión de energía generada o emitida por un cuerpo, que viaja por algún medio o el vacío hasta ser absorbida por otro cuerpo. Se puede propagar en forma de onda (radiación electromagnética) o de partículas (radiación corpuscular). El calor puede transferirse a través de este mecanismo, el cual se denomina radiación térmica. La radiación térmica consiste en un proceso en que la superficie de un objeto irradia energía térmica en forma de ondas electromagnéticas. Entre los ejemplos de este tipo radiación, tenemos a la radiación infrarroja de un radiador o un calentador eléctrico. Esta radiación se genera cuando el calor del movimiento de las partículas cargadas de un átomo se convierte en radiación electromagnética. Todos los cuerpos a una temperatura por encima del 0 absoluto emiten radiación térmica. La radiación es un fenómeno volumétrico y todos los sólidos, líquidos y gases emiten, absorben o reflejan radiación en diversos grados. Definición de cuerpo negro y cuerpo gris. Cuerpo negro: Son aquellos que absorben toda la radiación que llega a ellos sin reflejarla, de tal forma que solo emiten la correspondiente a su temperatura. Aunque tales cuerpos no existen, el concepto resulta muy útil como un patrón para comparar capacidades de varias superficies para absorber o emitir energía térmica. Su valor de emisividad es 1. Cuerpo gris: Son aquellos cuerpos donde la transferencia de calor por ondas electromagnéticas es constante ante la longitud de onda. Es un tipo de superficie no negra en el que el poder de emisión es independiente de la longitud de onda de la radiación. Por lo que se puede asumir que la transferencia de calor debido a la emisión no dependerá de la longitud de onda, siendo ambos constante. Ley de Stefan-Boltzmann La intensidad de la energía que un objeto irradia depende básicamente de su temperatura (absoluta). En especial, la radiación de energía en forma de calor está descripta por la Ley de Stefan-Boltzmann, la cual matemáticamente se expresa de la siguiente manera: Fig. 1 Ilustración de la radiación
- 5. 4 𝑞´´ = 𝜎𝜀𝛥𝑇4 Donde: q´´= flujo de calor transferido por unidad de área (w/m2 ). 𝜎 = constante de Stefan-Boltzmann (5.67 x10-8 w/m2 K4 ). 𝜀 = emisividad del cuerpo. ΔT = variación de temperaturas absolutas entre el ambiente y superficie del cuerpo (K). Esta ecuación dice que cualquier superficie irradia calor proporcionalmente a la cuarta potencia de su temperatura absoluta; aunque la emisión es independiente del medio exterior, la medida de la energía radiante requiere de una temperatura de referencia, como puede ser la de otro sistema que reciba la energía transferida, y así poder obtener a partir de esta referencia la transferencia neta de energía radiante. Constante de Stefan-Boltzmann La constante de Stefan-Boltzmann, una constante física denotada por la letra griega 𝜎, es la constante de proporcionalidad de la ley de Stefan-Boltzmann. Esta tiene un valor de 5.67 x10-8 w/m2 K4 . Emisividad Un objeto que emite la máxima energía posible para su temperatura, se conoce como cuerpo negro. Los cuerpos negros son superficies ideales de radiación infrarroja y los termómetros infrarrojos son calibrados en términos de radiación de cuerpo negro. En la práctica no hay materiales que sean emisores perfectos y las superficies tienden a emitir una energía algo menor que la de un cuerpo negro, incluso a la misma temperatura. El diagrama muestra porque los objetos no son emisores perfectos de la energía infrarroja. A medida que la energía se dirige hacia la superficie, se refleja en retroceso hacia el interior y no escapa nunca en formas radiantes. A partir de este ejemplo, puede verse que realmente solo se emite el 60% de la energía disponible. La emisividad de un objeto es el cociente entre la energía emitida y aquella que emitiría si este fuese cuerpo negro a la misma temperatura. La capacidad de un objeto de emitir radiación infrarroja depende de diversos factores, incluyendo, Fig. 2 Diagrama de emisividad
- 6. 5 tipo de material, condición de superficie y longitud de onda. De esta manera la emisividad se expresa como: 𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝑇) 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝑛𝑒𝑔𝑟𝑜 𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝑇) A los materiales se les asigna un valor de emisividad que varía entre 0 y 1,0. Un cuerpo negro, por lo tanto, tiene una emisividad de 1,0 y un reflector perfecto tiene una emisividad de 0. Valores de emisividad de algunos materiales Material Emisividad Aluminio, pulido .05 Aluminio, superficie rugosa .07 Aluminio, muy oxidado .25 Placa de amianto .96 Tela de amianto .78 Papel de amianto .94 Pizarra de amianto .06 Latón, mate, deslustrado .22 Latón, pulido .03 Bronce, poroso, basto .55 Bronce, pulido .1 Hierro fundido, fundición esbozada .81 Hierro fundido, pulido .21 Cobre, pulido .01 Cobre, bruñido comercial .07 Cobre oxidado .65 Cobre, negro oxidado .88 Oro, pulido .02 Hierro, laminado en caliente .77 Hierro, oxidado .74 Hierro, chapa galvanizada, bruñido .23 Hierro, chapa galvanizada, oxidado .28 Hierro, brillante, grabado .16 Hierro, forjado, pulido .28 Plomo, gris .28 Plomo, oxidado .63 Plomo, rojo, en polvo .93 Plomo, brillante .08 Mercurio, puro .1 Níquel, en hierro fundido .05 Níquel, puro pulido .05 Platino, puro, pulido .08 Acero, galvanizado .28 Acero, muy oxidado .88 Acero, recién laminado .24 Acero, superficie rugosa .96 Acero, rojo oxidado .69 Acero, chapa, niquelado .11 Acero, chapa, laminado .56 Estaño, bruñido .05 Tungsteno .04 Cinc chapa .2
- 7. 6 Importancias del factor forma en la radiación Otras geometrías pueden implicar que una parte de la radiación emitida por una de las superficies no sea completamente absorbida por la restante, como se ve en el esquema de la derecha. Es necesario definir un factor de forma: 𝐹𝑚,𝑛= 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖𝑣𝑎 𝑑𝑒 𝑚 𝑞𝑢𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑔𝑎 𝑎 𝑛 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖 𝑎 𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖𝑣𝑎 𝑑𝑒 𝑚 𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜 Aplicaciones de la radiación Energía solar La investigación actual respecto a la energía consiste es el desarrollo de métodos y tecnologías más eficientes 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 irradia y pierde energía, con lo que interesa que su emisividad sea mínima en la región ocupada por su propio espectro. Recubrimientos térmicos 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. Pirometría La pirometría es la medición de temperaturas mediante métodos ópticos. El pirómetro recibe una señal electromagnética, lo que permite, conociendo la emisividad del material, deducir su temperatura. La pirometría es una herramienta crucial en la industria pesada, donde las altas temperaturas y complicadas disposiciones de máquinas y materiales hacen muy difícil la utilización de termómetros convencionales, que requieren contacto directo con la muestra. También es útil para medir la temperatura de objetos móviles, o en general de cualquier cuerpo que presente dificultades de manejo. A menudo es también empleado en situaciones más corrientes debido a su sencillez y alta funcionalidad. Fig. 3 No toda la energía radia por 1 es absorbida por 2.
- 8. 7 Prototipo Material, equipo y reactivos Material y equipo Material a estudio 1 Caja de cartón Tubo de cobre 1 Plástico Agua 1 Aislante Fibra de vidrio 2 Guantes 1 Termómetro infrarrojo 1 Regla 1 Cronómetro 1 Plancha 1 Tijeras 1 Termómetro 1 Silicón o tape 1 Soporte universal 1 Pinzas 1 Plancha Procedimiento: 1. Limpiar los materiales a utilizar y ordenar el equipo. 2. Con la regla tomar la medida de la longitud del tubo así como el diámetro. 3. Colocar la fibra de vidrio alrededor del tubo con el fin de servir como aislante. 4. Medir la temperatura de los extremos y registrar. 5. Prender la plancha a lo máximo. 6. Colocar el tubo en un soporte universal con su respectiva pinza. 7. Colocar uno de los extremos del tubo en la plancha. 8. Apagar al pasar 240 segundos con el cronómetro. 9. Colocar el prototipo a un lado del tubo. 10. Quitar aislante del tubo. 11. Cerrar prototipo y colocar aislante por los orificios.
- 9. 8 12. Colocar termómetro y esperar 30 segundos y tomar lectura. 13. Quitar pared y registrar temperatura del tubo, pared movible y pared estacionaria. 14. Esperar 240 segundos y tomar temperatura de tubo y pared estacionaria. Cálculos y Resultados Se considerará que el calor por conducción es el mismo al obtenido a la siguiente ecuación: 𝑄 = 𝑚𝐶 𝑝(𝑇2 − 𝑇1) 𝑞 = 𝑄 𝑡 Recordando que el tiempo fue de 240 s. M (𝒌𝒈) Cp (𝑱/𝒌𝒈℃) 𝑻 𝟏 (℃) 𝑻 𝟐 (℃) ∆𝑻 (℃) Q (𝑱) q (𝑾) Bronce 0.4306 385 258 80.4 177.6 29442.7056 122.67 Para calcular el calor por convección se utilizará la ley de enfriamiento de Newton 𝑞 = ℎ𝐴(𝑇𝑠 − 𝑇∞) Donde se utiliza un h del aire promedio. Cálculo de calor por radiación 1. Método indirecto 1 𝑞 𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑞 𝑐𝑜𝑛𝑣 + 𝑞 𝑟𝑎𝑑 𝑞 𝑟𝑎𝑑 = 𝑞 𝑐𝑜𝑛𝑑 − 𝑞 𝑐𝑜𝑛𝑣 1.1 Método indirecto 2 𝑞 𝑟𝑎𝑑 = 𝑞 𝑐𝑜𝑛𝑑 − 𝑞 𝑐𝑜𝑛𝑣 𝑞 𝑟𝑎𝑑 = 𝑘𝐴(𝑇1 − 𝑇2) 𝑑𝑥 − ℎ𝐴(𝑇𝑠 − 𝑇∞) 𝐾 (𝑾/𝒎℃) dx (𝒎) ∆𝑻 (℃) 𝑨 (𝒎 𝟐) qcod (𝑾) 151 0.1085 177.6 0.00045239 111.815635 2. Método directo 𝑞 𝑟𝑎𝑑 = 𝐹𝐴𝜀𝜎(𝑇𝑠 4 − 𝑇0 4 )
- 10. 9 Considerando un factor de forma de 𝐹 = 1 y utilizando una constante de Stefan Boltzmann teórico de 𝜎 =5.67 x10-8 w/m2 K4 Nota: Es importante recordar que las temperaturas involucradas en la formula directa, por lo tanto de radiación, son en grados Kelvin. Cálculo de emisividad Se utilizara el resultado obtenido del método indirecto para poder obtener el valor de emisividad. 𝜀 = 𝑞 𝑟𝑎𝑑 𝐹𝐴𝜎(𝑇𝑠 4 − 𝑇0 4 ) Valores obtenidos Método 𝒒 𝒄𝒐𝒏𝒅 (W) 𝒒 𝒄𝒐𝒏𝒗 (W) 𝒒 𝒓𝒂𝒅 (W) Indirecto 1 122.67794 4.66187217 118.0160678 Indirecto 2 111.815635 4.66187217 107.153763 Método 𝜀 𝜎 𝑇𝑠 𝑇0 𝑇𝑠 4 𝑇0 4 𝑞 𝑟𝑎𝑑 Directo 0.55 5.67 x10-8 335.15 302.15 1.2617E+10 8334708097 133.544* Directo 0.55 5.67 x10-8 335.15 302.15 1.2617E+10 8334708097 1.092 *Sin considerar el área. Valor de emisividad Método 𝑞 𝑟𝑎𝑑 𝑇𝑠 4 𝑇0 4 𝜀 Indirecto 1 118.0160678 1.2617E+10 8334708097 0.486 Indirecto 2 107.153763 1.2617E+10 8334708097 0.461 Análisis Como podemos observar en el apartado de resultados, ya sea considerando el calor por conducción con la fórmula de Fourier o de la manera tradicional, los valores de dicho valor son muy parecidos y por lo tanto al mantener el valor del calor por convección en los dos casos, es normal que se si obtuviera un valor parecido en el calor por radiación. Ahora bien, sí comparamos los valores de radiación obtenidos directa e indirectamente, nos encontraremos con una similitud, ocurriendo esto cuando no se considera el área. Posiblemente durante la formulación y aplicación en la hoja de cálculo no era necesaria y por lo tanto se obtenía el valor sin área. También que al ser tan reducida la distancia entre el tubo y la placa, el valor de radiación sea mucho mayor; aunque en estos casos las implicaciones de sí que tipo de
- 11. 10 transferencia es en realidad puede ser un poco difícil de predecir y por lo tanto se ha decidido dejar los dos valores. En cuanto a la obtención de la emisividad, teóricamente se dice que es de 0.55 y tanto del método indirecto 1 como 2 se obtuvieron valores de emisividad lo bastante parecido, por lo cual es una de las razones por las que podemos considerar al valor de radiación sin área como valido ya que como se dijo en un principio, se parece al obtenido indirectamente. El valor puede que no sea exacto pero se tienen que considerar las pérdidas por convección en dos direcciones, y que esta misma no iba directamente a la placa de estudio. También las pérdidas de calor al momento de trasladar el tubo al sistema cerrado, así como en los agujeros del mismo. Algo que pudo haber ayudado a obtenerse dichos valores es que nuestro sistema era como un cuerpo negro. Observaciones Obtener una temperatura constante. Hacer el traslado del tubo lo más rápido posible pero sin enfriar. Evidencias
- 12. 11 Bibliografías Fuentes de libros Incropera. (2000). “Fundamentos de Transferencia de Calor”. Ed. Pearson. 4ta edición. Cengel, Yunus. (1996) “Termodinámica”. Ed. Mc Graw-Hill. 6ta edición. Wark, K. Richards. (2001). “Termodinámica” Ed. Mc Graw-Hill. 6ta edición. Koshkin (1975). “Manual de Física Elemental”. Ed. Mir.1ra edición. Fuentes electrónicas http://www.isotest.es/web/News/Tecnologias/Termografia/tabla%20de%20emisividades. htm http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/bk3/c13/Radiacion%20termica.pdf http://www.ehu.eus/documents/3019013/3575588/radiacion+termica.pdf