NO ME SALEN
   (APUNTES TEÓRICOS DE BIOFÍSICA DEL CBC)
   CALOR
   
RADIACION - LEY DE STEFAN-BOLTZMANN

 

nomesalen

 

Radiación. Ley de Stefan-Boltzman.

El calor puede viajar en forma de radiación. Cuando viaja de este modo puede hacerlo dentro de un medio material o en el más absoluto vacío. La radiación que transporta el calor no necesita materia para desplazarse.

Te estoy hablando del tipo más común de radiación, la que llena todo el universo y se llama radiación electromagnética. Esta imagen representa el espectro continuo de la radiación electromagnética desde los rayos más energéticos y penetrantes (arriba) hasta los más blandos e inofensivos (abajo). La columna de la izquierda representa la longitud de la onda.

 

La máxima energía se corresponde con la longitud de onda más pequeña; en ese extremo se encuentran los Rayos Gamma. Por suerte hay muy pocos en el universo.

Le siguen los Rayos X. Son tan penetrantes que atraviesan nuestros cuerpos y sirven para hacer fotografías de transparencia (radiografías). No son inocuos, no hay que exponerse a los rayos X sin una necesidad expresa.

La luz ultravioleta sigue siendo penetrante. No atraviesa todo nuestro cuerpo pero es capaz de producir lesiones en nuestra piel.

Continúa un estrecho rango de longitudes de onda que para nosotros es el más bonito: la luz visible. Va desde el violeta hasta el rojo.

Con menor energía siguen las ondas infrarrojas y comienza la porción "térmica" o infrarrojo lejano que es la longitud de onda a la cual se transmite el calor.

Sigue el rango de las microondas y más allá tenemos las ondas de TV, FM y radio AM.

 

Un apunte teórico no te prepara para un examen.
En todo caso te prepara para que abordes la lectura de textos con una mejor disposición.

Mirá la bibliografía.

Todo lo que existe en la naturaleza irradia energía, en todas las direcciones: irradian energía las personas, las nubes, los gases atmosféricos, los vegetales, los objetos metálicos, tutti quanti.

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

   
  Q = σ . ε . A . T4  

Δt
 

 

en la que T es la temperatura absoluta del cuerpo que irradia; sigma es la constante de Boltzmann, σ = 5,67 x 10-8 W/m2 K4; épsilon, ε, es el factor de emisividad del cuerpo, y es un número (sin unidades) que tiene valores entre 0 y 1; representa la propiedad superficial del cuerpo, que lo hace más opaco o más reflectante a la radiación. La emisividad de un espejo vale 0 y la del cuerpo negro vale 1. La emisividad de las pieles humanas de cualquier tonalidad valen más o menos lo mismo, con un valor muy cercano a 1 (la diferencia de color sólo afecta en el rango visible y ultravisible, pero no en el rango térmico); A es el área del cuerpo expuesta a irradiar o a recibir radiación.

Como se ve, la radiación es fuertemente dependiente de la temperatura del cuerpo, ya que depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta.

Además te habrás dado cuenta de que la radiación (cociente entre la energía calórica y el intervalo de tiempo considerado) debe medirse en unidades de potencia.

   
[ QN ] = W        (watt)  

Δt
   

o cualquier otro cociente entre unidades de energía y tiempo, por ejemplo: calorías por minuto.

En general, los cuerpos irradian y absorben energía radiante simultáneamente. El balance neto, o la potencia neta, puede obtenerse en forma aproximada de ésta manera:

   
  QN = σ . ε . A . (Ta4 Te4)  

Δt
   

donde Ta es la temperatura absoluta del ambiente en que se halla el cuerpo (temperatura de absorción) y Te es la temperatura absoluta de la superficie del cuerpo (temperatura de emisión).

   

CHISMES IMPORTANTES:

   
  • Las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz... (aunque sería más correcto decir: la luz viaja a la velocidad de las ondas electromagnéticas).
  • La ondas de mayor energía (y penetración en los organismos vivientes) suelen llamarse ondas ionizantes, porque una de las consecuencias dañinas que tienen es que separan cargas eléctricas de moléculas -habitualmente neutras-, produciendo pares de iones que alteran el funcionamiento biológico. Hay otro tipo de daño biológico que consiste en la ruptura o alteración de las cadenas informacionales, el ADN, y no siempre logramos repararlo correctamente.
  • A mayor longitud de onda menor frecuencia. El producto entre ambas es constante, y esa constante es la velocidad de la onda electromagnética, o sea, la de la luz, c 300.000.000 m/s.
  • Los límites de la región de ondas electromagnéticas capaces de transmitir calor son difusos, y se extienden -aún con baja eficiencia- hacia los extremos de las longitudes de onda.
  • Muchas veces el calor producido por la radiación electromagnética no depende del tipo de longitud de onda sino de la interacción entre ésta y la materia. Por ejemplo: una parte importante de la radiación solar calienta la superficie terrestre y se devuelve al espacio como radiación infrarroja.
   
PREGUNTAS CAPCIOSAS:    
  • ¿Posee nuestra piel sensores de radiación calórica?
  • ¿Para qué sintetiza nuestra piel ese pigmento llamado melanina que genera el bronceado de las bañistas?
  • ¿Por qué, si toda nuestra especie desciende de la raza africana negra, las poblaciones que emigraron a latitudes boreales perdieron la pigmentación?
  • ¿Por qué es calóricamente agradable tomar sol detrás de un vidrio, pero la piel no se broncea?
  • ¿Cuál es la relación entre el cáncer de piel y la exposición a la radiación ultravioleta?
  • ¿En qué consisten las cremas-filtro de protección solar, y cuál es el significado del número indicador del filtro?
  • ¿Por qué a veces ingresamos en lugares en los que aún cuando la temperatura no es baja nos sentimos incómodos... decimos que el lugar no nos resulta "cálido" y preferimos otro sitio con más gente, más muebles, más cosas en las paredes, pisos de madera o alfombras?
  • ¿Por qué los termos para agua caliente se fabrican con el vidrio plateado?
 
     
Algunos derechos reservados. Se permite su reproducción citando la fuente. Agradezco la corrección teórica que me envió Rafael Mac Donough, de French, Buenos Aires. Última actualización sep-13. Buenos Aires, Argentina.