ATPS Trasnferencia De Calor

ATPS – Transferência de Calor

Radiação Térmica

1. Radiação Térmica

A radiação térmica é a energia radiante emitida pelos corpos em virtude de sua temperatura. Todos os corpos, a uma temperatura acima do zero absoluto, emitem radiação térmica.

A energia radiativa propaga-se através de ondas eletromagnéticas, caracterizadas pelo comprimento de onda oufrequência. Numa certa banda de comprimentos de onda as radiações são ondas de calor (radiação térmica),

A emissão de radiação se traduz por uma perda de calor, e sua recepção como um ganho.

2. Leis que regem o fenômeno da Radiação

Três leis fundamentais da radiação de corpo negro:

• Distribuição de Planck (potência emissiva espectral do corpo negro em função do comprimento de onda);

• Lei de deslocamentos dos máximos de Wein (relação entre comprimento de onda e temperatura para a emissão espectral máxima);

• Lei de Stefan Boltzmann (poder emissivo total do corpo negro).

2.1. Lei de Planck

Max Planck foi quem a propôs em 1900, descrevendo precisamente a radiação emitida por um corpo negro resolvendo assim a catástrofe do ultravioleta (ou catástrofe de Rayleigh – Jeans, uma previsão do final do século XIX, que estabelece que um corpo negro ideal, em equilíbrio térmico emitiria radiação com potência infinita).

A fórmula desenvolvida por Planck para a distribuição de energia na radiação de um corpo negro é o marco inicial da teoria quântica a qual tem sido desenvolvida produzindo ricas contribuições em todos os campos da Física. Desde o ano de sua publicação, em 1901, muitas derivações dessa lei têm sido sugeridas.

Assim, a lei de Planck descreve a intensidade ou radiância emitida por um corpo negro em equilíbrio térmico (a radiância espectral de um corpo negro) dada uma temperatura.

Para solucionar a catástrofe do ultravioleta, Planck propôs uma teoria que revolucionaria a Física. E se tudo aquilo que até então acreditávamos fosse apenas uma parte da verdade, caso a Lei de Rayleigh – Jeans estivesse certa? Obviamente a teoria clássica não poderia estar errada, pois detém consistência suficiente para acreditarmos nela.

Planck propôs então um modelo que apesar de alterar os conceitos físicos já imaginados na época, funcionaria apenas como uma extensão da realidade. Ou seja, a teoria de Planck, de certa forma engloba a teoria clássica no mundo macroscópico, mas também explica aspectos novos do mundo microscópico.

Sua teoria surgiu primeiramente para tentar explicar o impasse do corpo negro. Planck deduziu uma expressão que nem ele mesmo conseguiu demonstrar teoricamente ao apresentá-la aos seus colegas da Berlin PhysicalSociety. Em 1900 Planck apresentou essa expressão à qual se ajustava a todos os experimentos da emissão do corpo negro, mas que seguia uma teoria completamente inovadora.

A Lei de Planck para radiação de corpo negro exprime a radiância espectral em função do comprimento de onda e da temperatura do corpo negro e fornece a distribuição dos comprimentos de onda no espectro em função da temperatura. A maior parte da irradiação ocorre em um comprimento de onda específico, chamado de comprimento de onda principal de irradiação, que depende da temperatura do corpo. Quanto maior a temperatura, maior a frequência da radiação e menor é o comprimento de onda:

Eq. 01

Onde:

é a radiância espectral medida em J•s−1•m−2•sr−1•Hz−1

é a frequência medida em Hertz (Hz)

é a temperatura do corpo negro medida em Kelvin (K)

é a constante de Planck medida em Joule por Hertz (J/Hz)

é a constante velocidade da luz medida em metros por segundo (m/s)

é o número de Euler

é a constante de Boltzmann medida em Joule por Kelvin (J/K)

Relacionando com o espectro visível, devido ao comprimento de onda, objetos com temperaturas altas produzem luz de coloração próxima ao azul, enquanto objetos com temperaturas não tão altas podem gerar luz avermelhada (a faixa do espectro seguinte à visível é justamente o infravermelho). Por exemplo, um objeto vermelho quente irradia principalmente ondas longas da faixa visível do espectro (luzes avermelhada e alaranjada). Se for aquecido, passará a emitir menores comprimentos de onda (luzes azulada e esverdeada), e a distribuição das frequências faz a luz parecer branca aos olhos humanos. Esse efeito é chamado de "branco quente". Entretanto, mesmo em temperaturas superiores a 2000 K, 99% da energia irradiada está na faixa do infravermelho do espectro. Em outros casos, a matéria pode irradiar comprimentos de onda que não podem ser vistos pelo olho humano, como quando a temperatura é relativamente baixa ou extremamente alta.

2.2. Lei de Wien

A lei de Wien, como o próprio nome indica, foi formulada em 1892 pelo físico alemão Wilhelm Wien, que nasceu na Rússia Oriental, a 13 de janeiro de 1864, e que faleceu em Munique, a 30 de agosto de 1928.

A lei de Wien é uma lei da radiação que estipula que o comprimento de onda a que um corpo negro irradia a máxima energia é inversamente proporcional à sua temperatura, isto é, quanto mais quente estiver o corpo, menor será o comprimento de onda.

Eq. 02

Onde:

é o comprimento de onda (em metros) no qual a intensidade da radiação eletromagnética é a máxima;

é a temperatura do corpo negro em Kelvin (K);

b é a constante de proporcionalidade, chamada constante de dispersão de Wien, em Kelvin-metros (K • m). Sendo b dado por 2,89 . 10-3m . K

Não apenas o Sol, mas qualquer corpo cuja temperatura Kelvin é diferente de zero, emite radiações eletromagnéticas em todo o espectro.

Quando uma parte importante das radiações emitidas por um corpo está na faixa visível do espectro, dizemos