RADIAÇÃO TÉRMICA: PROPRIEDADES, EXEMPLOS, APLICAÇÕES - FISICA - 2025

A radiação térmica é a energia transmitida por um corpo com sua temperatura e pelos comprimentos de onda do espectro eletromagnético infravermelho. Todos os corpos, sem exceção, emitem alguma radiação infravermelha, não importa quão baixa seja sua temperatura.

Acontece que quando estão em movimento acelerado, as partículas eletricamente carregadas oscilam e, graças à sua energia cinética, emitem continuamente ondas eletromagnéticas.

Figura 1. Estamos muito familiarizados com a radiação térmica que vem do Sol, que na verdade é a principal fonte de energia térmica. Fonte: Pxhere.

A única maneira de um corpo não emitir radiação térmica é suas partículas ficarem completamente em repouso. Dessa forma, sua temperatura seria 0 na escala Kelvin, mas reduzir a temperatura de um objeto a tal ponto é algo que ainda não foi alcançado.

Propriedades de radiação térmica

Uma propriedade notável que distingue este mecanismo de transferência de calor de outros é que ele não precisa de um meio material para produzi-lo. Assim, a energia emitida pelo Sol, por exemplo, viaja 150 milhões de quilômetros no espaço e chega à Terra continuamente.

Existe um modelo matemático para saber a quantidade de energia térmica por unidade de tempo que um objeto irradia:

Esta equação é conhecida como lei de Stefan e as seguintes quantidades aparecem:

- Energia térmica por unidade de tempo P, que é conhecida como potência e cuja unidade no Sistema Internacional de Unidades é o watt ou watt (W).

-A área de superfície do objeto que emite calor A, em metros quadrados.

-Uma constante, chamada de Stefan - Constante de Boltzman, denotada por σ e cujo valor é 5,66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴,

- A emissividade (também chamada de emitância) do objeto e, uma quantidade adimensional (sem unidade) cujo valor está entre 0 e 1. Está relacionada à natureza do material: tal espelho tem baixa emissividade, enquanto um corpo muito escuro tem alta emissividade.

-E finalmente a temperatura T em Kelvin.

Exemplos de radiação térmica

De acordo com a lei de Stefan, a taxa na qual um objeto irradia energia é proporcional à área, à emissividade e à quarta potência da temperatura.

Uma vez que a taxa de emissão de energia térmica depende da quarta potência de T, é claro que pequenas mudanças na temperatura terão um efeito enorme na radiação emitida. Por exemplo, se a temperatura dobra, a radiação aumentaria 16 vezes.

Um caso especial da lei de Stefan é o radiador perfeito, um objeto completamente opaco chamado corpo negro, cuja emissividade é exatamente 1. Neste caso, a lei de Stefan é assim:

Acontece que a lei de Stefan é um modelo matemático que descreve aproximadamente a radiação emitida por qualquer objeto, uma vez que considera a emissividade como uma constante. Na verdade, a emissividade depende do comprimento de onda da radiação emitida, do acabamento da superfície e de outros fatores.

Quando e é considerado constante e a lei de Stefan é aplicada conforme indicado no início, o objeto é chamado de corpo cinza.

Os valores de emissividade para algumas substâncias tratadas como corpo cinza são:

-Alumínio polido 0,05

-Carbono preto 0,95

-Pele humana de qualquer cor 0,97

-Madeira 0,91

-Gelo 0,92

-Água 0,91

-Cobre entre 0,015 e 0,025

-Aço entre 0,06 e 0,25

Radiação térmica do Sol

Um exemplo tangível de objeto que emite radiação térmica é o Sol. Estima-se que a cada segundo, aproximadamente 1.370 J de energia na forma de radiação eletromagnética chegam do Sol à Terra.

Este valor é conhecido como constante solar e cada planeta possui uma, que depende de sua distância média do sol.

Essa radiação perpendicularmente passa por cada m ² das camadas atmosféricas e se distribui em diferentes comprimentos de onda.

Quase tudo vem na forma de luz visível, mas uma boa parte vem como radiação infravermelha, que é exatamente o que percebemos como calor, e alguns também como raios ultravioleta. É uma grande quantidade de energia suficiente para atender às necessidades do planeta, a fim de capturá-la e utilizá-la adequadamente.

Em termos de comprimento de onda, estes são os intervalos nos quais a radiação solar que atinge a Terra é encontrada:

- Infravermelho, o que percebemos como calor: 100 - 0,7 μm *

- Luz visível, entre 0,7 - 0,4 μm

- Ultravioleta, menos de 0,4 μm

* 1 μm = 1 micrômetro ou um milionésimo de um metro.

Lei de Wien

A imagem abaixo mostra a distribuição da radiação no comprimento de onda para várias temperaturas. A distribuição obedece à lei de deslocamento de Wien, segundo a qual o comprimento de onda da radiação máxima λ _max é inversamente proporcional à temperatura T em Kelvin:

λ _max T = 2,898. 10 ⁻³ m⋅K

Figura 2. Gráfico da radiação em função do comprimento de onda para um corpo negro. Fonte: Wikimedia Commons.

O Sol tem uma temperatura de superfície de aproximadamente 5.700 K e irradia principalmente em comprimentos de onda mais curtos, como vimos. A curva que mais se aproxima da do Sol é a de 5000 K, em azul e, claro, tem o máximo na faixa de luz visível. Mas também emite boa parte em infravermelho e ultravioleta.

Aplicações de radiação térmica

Energia solar

A grande quantidade de energia que o Sol irradia pode ser armazenada em aparelhos chamados coletores, para posteriormente transformá-la e utilizá-la convenientemente como energia elétrica.

Câmeras infravermelhas

São câmeras que, como o próprio nome sugere, operam na região do infravermelho em vez de na luz visível, como as câmeras comuns. Eles se aproveitam do fato de que todos os corpos emitem radiação térmica em maior ou menor grau, dependendo de sua temperatura.

Figura 3. Imagem de um cachorro capturada por uma câmera infravermelha. Originalmente, as áreas mais claras representam aquelas com a temperatura mais alta. As cores, adicionadas durante o processamento para facilitar a interpretação, mostram as diferentes temperaturas do corpo do animal. Fonte: Wikimedia Commons.

Pirometria

Se as temperaturas forem muito altas, medi-las com um termômetro de mercúrio não é a melhor opção. Para isso, são preferidos os pirômetros, por meio dos quais se deduz a temperatura de um objeto conhecendo sua emissividade, graças à emissão de um sinal eletromagnético.

Astronomia

Starlight é muito bem modelado com a aproximação do corpo negro, assim como todo o universo. E, por sua vez, a lei de Wien é frequentemente usada em astronomia para determinar a temperatura das estrelas, de acordo com o comprimento de onda da luz que emitem.

Industria militar

Os mísseis são direcionados ao alvo por meio de sinais infravermelhos que buscam detectar as áreas mais quentes das aeronaves, como motores, por exemplo.

Referências

1. Giambattista, A. 2010. Física. 2ª Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Condução, convecção e radiação. Recuperado de: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Aplicações da radiação térmica. Recuperado de: www.ehu.eus.
4. Observatório da Terra da NASA. Clima e Orçamento Energético da Terra. Recuperado de: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Aplicações de calor. Recuperado de: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Physics for Science and Engineering. Volume 1. 7º. Ed. Cengage Learning.