La radiació tèrmica és una forma denergia tèrmica fonamental en la física i la ciència dels materials. Sovint passa desapercebuda a la nostra vida diària, però el 49% de l'energia que ens arriba del Sol ho fa en forma de radiació tèrmica.
Aquest tipus denergia és la responsable de mantenir el nostre planeta calent, cuinar els nostres aliments i alimentar moltes de les tecnologies que utilitzem diàriament.
En aquest article, explicarem què és la radiació tèrmica, com funciona, les seves aplicacions i la seva importància al món modern.
Què és la radiació tèrmica?
La radiació tèrmica, també coneguda com a radiació de calor o radiació infraroja, és el procés mitjançant el qual un objecte emet energia en forma d'ones electromagnètiques a causa de la seva temperatura.
A diferència de la conducció tèrmica i la convecció tèrmica, la radiació tèrmica no requereix un mitjà material per propagar-se. En altres paraules, la radiació tèrmica pot viatjar a través del buit de lespai.
Tots els objectes emeten radiació tèrmica
Per entendre aquest fenomen, és essencial recordar que tots els objectes emeten radiació tèrmica sempre que tinguin una temperatura per sobre del zero absolut, que és la temperatura més baixa possible (-273,15 graus Celsius o 0 Kelvin).
L'Espectre electromagnètic
L'espectre electromagnètic inclou totes les formes de radiació electromagnètica, des de les ones de ràdio fins als raigs gamma. La radiació tèrmica és a la regió infraroja de l'espectre, que s'ubica entre les microones i la llum visible.
Tot i que no podem veure la radiació tèrmica directament, la podem detectar i utilitzar en moltes aplicacions.
Llei de Stefan-Boltzmann: relació entre temperatura i radiació
La radiació tèrmica és el resultat de l'agitació de les partícules dins un objecte a causa de la temperatura. Com més calenta estigui un objecte, més energia cinètica tindran les partícules i, per tant, més radiació tèrmica emetrà.
La llei de Stefan-Boltzmann descriu la relació entre la temperatura d‟un objecte i la quantitat total d‟energia radiada per unitat de superfície. Aquesta llei estableix que l'energia radiada per unitat de superfície és directament proporcional a la quarta potència de la temperatura absoluta de l'objecte, segons l'equació següent:
E=σ⋅T 4
On:
-
E és l'energia radiada per unitat de superfície (en watts per metre quadrat, W/m²).
-
σ és la constant de Stefan-Boltzmann (5.67×10−8 W/(m²·K⁴)).
-
T és la temperatura absoluta de l'objecte a kelvins (K).
Aquesta equació mostra que a temperatures més altes, la quantitat denergia radiada és significativament major.
Exemples de radiació tèrmica
La radiació tèrmica té una àmplia gamma d'aplicacions a la vida quotidiana i en camps científics i tecnològics.
Alguns exemples de les aplicacions més destacades inclouen:
Calefacció i cuina
La radiació tèrmica és fonamental en electrodomèstics com forns i microones, on es fa servir per escalfar aliments. Els elements calefactors emeten radiació infraroja que escalfa directament els objectes i aliments, cosa que accelera el procés de cocció.
Energia solar
La radiació tèrmica del Sol és la principal font d'energia per al nostre planeta. Els panells solars tèrmics aprofiten aquesta radiació per escalfar aigua i generar electricitat, sobretot a les grans plantes d'energia solar tèrmica.
Cambres tèrmiques
Les cambres tèrmiques utilitzen la radiació infraroja per detectar diferències de temperatura en objectes i organismes vius.
Aquestes càmeres tenen aplicacions en camps com la cerca i rescat, la seguretat i la medicina.
Climatització i refrigeració
Sistemes de climatització i refrigeració utilitzen la radiació tèrmica en combinació amb altres processos per controlar la temperatura a edificis, vehicles i dispositius electrònics.
Ciència espacial
A l'exploració espacial, la radiació tèrmica és una preocupació important. Els materials aeroespacials es dissenyen per resistir les condicions extremes de l'espai, incloent-hi l'exposició a la radiació solar intensa i l'alliberament controlat de calor generat pels equips.
Energia geotèrmica
L'energia geotèrmica aprofita la calor interna de la Terra per generar electricitat i proporcionar calefacció. A regions geotèrmicament actives, com Islàndia, aquest tipus d'energia és especialment valuós.
La radiació tèrmica en una central nuclear
Una central nuclear emet radiació tèrmica al moment on la fissió nuclear té lloc al nucli del reactor. En aquest procés, els nuclis atòmics d'urani es divideixen en elements químics més petits, alliberant una quantitat d'energia immensa en forma de calor.
Aquesta energia tèrmica resultant fa que la temperatura del nucli del reactor augmenti significativament. A mesura que s'eleva la temperatura del nucli, s'emet radiació tèrmica en forma de radiació infraroja, la qual és invisible per a l'ull humà però és una manifestació directa de l'alta temperatura a l'interior del reactor.
Aquesta radiació tèrmica és una part integral de l'operació d'una central nuclear i es fa servir com a font de calor per escalfar aigua i produir el vapor que impulsa les turbines que generen electricitat.
La radiació tèrmica és una etapa intermèdia en la conversió de l'energia nuclear en energia elèctrica, i el control precís és essencial per garantir el funcionament segur i eficient de la central nuclear.