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TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACION
Curso online de química del fuego
Todas las ondas de la energía radiante circulan en el vacío a la velocidad de la luz. "Al tropezar con un cuerpo, son absorbidas, reflejadas o transmitidas."
La luz visible abarca longitudes de onda entre 0,4 x 10⁻⁶ hasta 0,7 x 10⁻⁶ metros (violeta a rojo).
Las emisiones resultantes de un proceso de combustión ocupan principalmente la región del infrarrojo (longitudes de ondas superiores a la longitud de onda del rojo). Nuestros ojos ven solamente una fracción mínima emitida en la región visible.
Un ejemplo corriente de radiación es la llama de una vela:
El aire calentado por la llama se eleva mientras el aire frío se mueve hacia abajo en dirección a la llama para alimentarla con oxígeno, manteniéndose así la combustión. Si ponemos la mano al lado de la llama, experimentamos una sensación de calor.
- Esta energía es la denominada radiación o calor radiante.
• En los fuegos pequeños, como por ejemplo, el originado por una vela, la mayor parte del calor abandona la zona de la combustión debido a la convección, como detectamos al situar la mano sobre la llama en vez de a un lado.
• Sin embargo, los incendios mayores y más peligrosos liberan cantidades de energía aproximadamente iguales por radiación y por convección. La energía irradiada es más peligrosa porque las superficies estáticas próximas al fuego absorben fundamentalmente toda la radiación que incide sobre las mismas, mientras que la mayoría de la energía transmitida por convección fluye a lo largo de la superficie arrastrada por el chorro de gases.
La energía radiante avanza en línea recta. Lógicamente, el calor recibido de un foco pequeño sería menor que el de una superficie irradiante grande, siempre que los focos emitan la misma energía por unidad de superficie, como se ilustra en la siguiente imagen:
FIG. Comparación del calor absorbido por superficies de áreas semejantes, desde un foco puntual (izquierda) y desde una superficie radiante grande (derecha).
El calor radiante pasa libremente a través de gases formados por moléculas diatómicas simétricas, como el hidrógeno (H₂), el oxígeno (O₂) y el nitrógeno (N₂), pero es absorbido por las partículas en suspensión, tales como el humo, y en bandas de menor longitud de onda, por moléculas asimétricas como el vapor de agua (H₂O), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO₂) y dióxido de azufre (SO₂).
Aunque la concentración de estos gases en la atmósfera sea baja, la presencia de dióxido de carbono y vapor de agua evita que las radiaciones en las bandas de 2,8 micras y, sobre todo, de 4,4 micras, lleguen a la superficie de la tierra.
Esto se ha aprovechado para desarrollar los detectores de llamas por infrarrojos, que no detectan la radiación solar y responden sólo a las ondas de 2,8 o 4,4 micras.
Estas son las longitudes de onda en las que emiten el vapor de agua y el dióxido de carbono en las llamas. Además, el vapor de agua y el dióxido de carbono presentes en la atmósfera pueden absorber importantes cantidades de radiaciones a gran distancia de grandes fuegos. Esto ayuda a explicarse por qué los incendios forestales o los grandes fuegos son menos peligrosos los días en que hay gran humedad. Además, como las gotitas de agua absorben casi todas las radiaciones infrarrojas incidentes, las nieblas o pulverizaciones de agua son atenuadoras eficaces de las radiaciones.
Cuando dos cuerpos se sitúan frente a frente y uno tiene mayor temperatura que el otro, la energía radiante pasará del más caliente al más frío hasta que los dos alcancen la misma temperatura (es decir, el equilibrio térmico).
La capacidad de absorción de calor radiado está en función de la clase de superficie del cuerpo más caliente. Si la superficie receptora es brillante o pulida, reflejará la mayor parte del calor radiante; si es negra u oscura, absorberá la mayor parte del calor.
La mayoría de los materiales que no son metálicos, en la práctica, resultan negros a las radiaciones infrarrojas, aunque sometidos a la radiación visible parezcan claros o coloreados. Algunas sustancias, como el agua o el vidrio, son transparentes a la radiación visible y permiten su paso con absorción mínima; sin embargo, tanto el agua líquida como el vidrio son opacos para la mayor parte de las longitudes de onda infrarrojas.
El principio del funcionamiento de los invernaderos de cristal y de los paneles solares reside en que son transparentes a la radiación visible del sol, mientras que, al mismo tiempo, son opacos a la radiación infrarroja que intenta salir de ellos.
Los materiales metálicos brillantes son reflectores excelentes de la energía radiante. Por ejemplo, el papel de aluminio suele utilizarse con frecuencia unido a la fibra de vidrio como material aislante en los edificios. También suelen utilizarse chapas metálicas colocadas debajo de las estufas o en los muros expuestos al calor.
Ley de Stefan-Boltzmann
La ley de Stefan-Boltzmann enuncia que la emisión radiante por unidad de superficie de una superficie negra es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.
Puede expresarse esta ley mediante la fórmula:
q = έ . σ . т⁴
q = la emisión radiante por unidad de superficie.
έ = el factor de corrección de la capacidad de emisión superficial (en la mayoría de los materiales no metálicos es generalmente próximo a 1 en la región de longitud de onda infrarroja y por tanto puede normalmente despreciarse.
σ = la constante de proporcionalidad de Stefan-Boltzmann (igual a 5,67 x 10⁻¹² vatios/ (cm² . ºK⁴).
т = la temperatura absoluta expresada en grados Kelvin.
Para comprender la importancia de esta cuarta potencia, veamos el caso siguiente:
EJEMPLO: Se ha proyectado un calefactor para que funcione con seguridad a 260ºC de temperatura de la superficie exterior.
¿Hasta qué punto aumentará la cantidad de calor irradiado si permitimos que la temperatura de la superficie exterior aumente a 100ºC (hasta 360ºC), o que aumente en 240ºC (hasta un máximo total de 500ºC).
➜ En primer lugar, para convertir las temperaturas expresadas en grados centígrados a sus valores absolutos en grados Kelvin, es preciso sumar 273 a dichos valores.
➔ A continuación asumimos la hipótesis usual de que la superficie es negra y calculamos la emisión radiante por unidad de superficie adecuada para un funcionamiento seguro (260ºC), mediante:
q = o (260 + 273)⁴ = 5,67 x 10⁻¹² x (533)⁴ = 0,46 vatios/cm²
Los vapores correspondientes de las emisiones radiantes por unidad de superficie a temperaturas más elevadas son:
q = o (360 + 273)⁴ = 0,91 vatios/cm²
q = o (500 + 273)⁴ = 2,0 vatios/cm²
Veamos, por lo tanto, que al aumentar la temperatura de la estufa en 100ºC solamente, duplicamos aproximadamente su emisión de 0,46 a 0,91 vatios/cm².
Esta es la consecuencia espectacular de la cuarta potencia. Si la radiación calorífica fuese sólo la consecuencia de la primera potencia de la temperatura absoluta, aumentaría solamente en un 20% (aproximadamente), a medida que la temperatura absoluta se elevara de 533 a 633ºK.
Por último, si por descuido la estufa alcanzase 500ºC, emitiría 2,0 vatios/cm², que es una cantidad de energía suficientemente alta como para inflamar muchos de los mobiliarios de uso común en viviendas.
Dado que las estufas de carbón o madera utilizadas en las casas pueden experimentar a veces aumentos de temperatura sin control cuando el caudal de aire sea demasiado elevado, resulta necesario limitar la transferencia máxima de calor radiante recibido, manteniendo todos los muebles suficientemente alejados de la estufa.
- La energía radiante transmitida por un foco puntual a una superficie receptora es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa ambos puntos.
Si el tamaño de la estufa es relativamente pequeño comparado con su distancia a los objetos próximos, ésta actuará como un foco puntual, con lo que al duplicar la distancia que la separa de los muebles, disminuirá el calor radiante que incide sobre los mismos (por unidad de superficie) en un factor igual a cuatro.
Sin embargo, si los objetos están cerca de ella, se comportará como una superficie grande y cualquier variación pequeña en la distancia que separa los objetos ejercerá una influencia mínima o nula sobre la gravedad de la transferencia del calor radiante.
Un ejemplo podría ser un gran horno situado a pocos centímetros de un muro combustible; en este caso, habría que proteger el muro con algún medio, tal como una placa incombustible revestida de metal brillante, o algo similar.
Generalmente, los científicos e ingenieros conocen bien el fenómeno de la radiación entre superficies sólidas. Así mismo, pueden calcular con bastante exactitud la transferencia de calor radiante absorbida o emitida por los gases de composición y temperatura conocidas. Sin embargo, tropiezan con dificultades para calcular la radiación de las llamas, porque la mayor parte de ésta procede del hollín generado por ellas, y los valores de ese hollín han sido medidos en contadas ocasiones.
Esta falta de datos a menudo impide calcular las intensidades del fuego. Sin embargo, podemos utilizar una regla aproximada que resulta útil.
La producción total de calor radiante de las llamas (de altura superior a 20 centímetros, aproximadamente) alcanza generalmente entre el 30 y el 40 por ciento de la producción máxima calorífica, si suponemos que la combustión es completa.
Una cantidad semejante de energía se emite por convección a través de los productos no inflamados totalmente.
