Obtención del calor por radiación o la emisividad

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