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Cuando un cuerpo absorbe radiación, se incremento su estado de excitación,sobre todo los electrones situados en un alto nivel energético, produciéndosefuertes vibraciones de las mallas cristalográficas -es decir, aumentan sutemperatura. Los fotones incidentes -"esas cosas rápidas yluminosas"- se habrán esfumado. El cuerpo tiende a restablecer su estadoprimitivo mediante la reirradación de esta energía adicional. El proceso sedesarrolla ahora en sentido inverso; los fotones emitidos de nuevo tienen unaslongitudes de onda determinadas que dependen de la variación de energía, aunqueel número de posibles valores es a menudo tan grande que podemos considerar queel espectro de emisión es continuo. Cuando un átomo o una molécula alcanza unestado de excitación, habitualmente sólo permanece en él durante un instantemuy breve de tiempo, después del cual lo probable es que vuelva a emitir elfotón. Sin embargo, en un cuerpo sólido o en un gas denso, puede antes de hacereso, transmitir la energía a los átomos próximos por medio de la acción de lasfuerzas interatórnicas. Por este procedimiento, se iguala la temperatura y sehace más uniforme el estado de excitación del cuerpo. Como resultado de laredistribución de la energía, la radiación emitida puede que tenga unadistribución de longitudes de onda diferente de la de absorción. En particular,la distribución depende ahora fundamentalmente de lo que llamarnos temperaturadel conjunto del cuerpo.
La acción recíproca entre la radiación y un cuerpo cualquiera, es tancompleja que es totalmente imposible predecirla partiendo de los principiosbásicos. Es por tanto conveniente considerar, en su lugar, el comportamiento deun cuerpo que se toma como patrón o modelo, con unas propiedades determinadas ybastante sencillas. Si este cuerpo tiene un número infinito de niveles deenergía permitidos, se le llama CUERPO NEGRO, porque puede absorber toda laradiación que incide sobre él, cualquiera que sea su longitud de onda. Lapredicción de las propiedades de radiación de un cuerpo negro, debida a MAXPLANCK (1901) fue el primer caso de utilización de las ideas de la teoríacuántica, y fue uno de los pasos conceptuales más importantes de la historia dela física. No vamos a intentar repetir aquí la argumentación, sino decirsimplemente que se demuestra que la radiación emitida por un cuerpo negro,debido a su temperatura, tiene una distribución concreta, de densidadenergética D.
Nos damos cuenta en primer lugar, que cuando en un cuerpo la densidad deenergía próxima a la banda infrarrojo dentro del espectro visible essuficientemente alta como para que tenga una luminosidad que la destaque de suentorno, la temperatura del cuerpo se debe únicamente a la radiación. Esto seproduce a temperaturas próximas a los 1.500 K (alrededor de 1.200 "C)cuando la máxima densidad de energía se produce para una Á de 2 micras. Decimosentonces que el cuerpo está al rojo. Podemos, por supuesto, percibir laradiación a temperaturas mucho más bajas a través de su acción de calentamientode la piel. En una habitación a temperatura ordinaria es posible percibir laradiación de la energía solar térmica de un objeto simplemente si está 10 K máscaliente que su entorno. A continuación se muestra una tabla de la densidad deenergía en los cuerpos negros:
Temperatura de equilibrio delos cuerpos bajo la radiación
Volvamos ahora al estudio del comportamiento de un cuerpo que se deja bajola acción del sol. Si consideramos las distintas formas en que puede ganar operder energía, podemos ver que la situación es bastante complicada. Para poderobtener rápidamente una comprensión de su comportamiento, en primer lugarsimplificaremos un poco la situación. Hallamos aquí los elementos de lo que sellama COLECTOR SOLAR DE LÁMINA PLANA. Recibe energía del sol y la vuelvea irradiar de nuevo. Lo hemos dispuesto de forma que quede "aislado"de su entomo y que no pueda intercambiar radiaciones con él. Por el momento,despreciaremos el intercambio de calor con la atmósfera por convección yradiación, sobre lo que volveremos más tarde.
Para los cuerpos reales, con unos niveles de distribución de energíacomplejos, hallamos habitualmente que la radiación no está distribuida como ladel cuerpo negro, bien con respecto a la longitud de onda o con la dirección dela emisión. Sin embargo, por razón de sencillez, empleamos a veces el cuerponegro como un patrón para representar en relación con él las propiedadesgenerales de un cuerpo. De esta forma podemos asignar al cuerpo una EMISIVIDADglobal, e, de forma que a la temperatura T, emita una fracción e de la energíaemitida por el cuerpo negro a esa temperatura. Además, asignamos unaspropiedades de REFLECTIVIDAD, p, PODER DE ABSORCIÓN, a, y TRANSMISIVIDAD, z,, aun cuerpo en tal forma que si una radiación de intensidad P incide sobre él,las proporciones en que se refleja la energía, se absorbe y transmite, sonrespectivamente p P, a P y r P. Hemos de darnos cuenta de que todas laspropiedades 8, p, a y r varían entre cero y uno para los cuerpos reales,aunque para un cuerpo negro real adquirirían respectivamente los valores 1, 0,1 y 0.
Estas propiedades de radiación, varían mucho según los cuerpos y, lo que esmás importante, varían con la longitud de onda de la radiación para un cuerpodado. Esta dependencia de la longitud de onda, es por supuesto debida alcarácter del proceso absorción-emisión. Esto se puede representar muy bienexpresando las propiedades en términos de la ternperatura del cuerpo (para latemperatura de la fuente de la radiación incidente, y por lo tanto de sulongitud de onda (para las otras propiedades).
Se comprueba, en general, que los metales pulimentados tienen bajaemisividad para toda temperatura, aunque su comportamiento varía en gran medidapor los tratainientos superficiales, presencia de películas de óxido, ete. Laspinturas que son fáciles de distinguir por la vista o por medio del color,pueden tener un poder de absorción alto o bajo para radiaciones parecidas a lade la luz del sol. Pero cuando se expone a radiaciones de onda larga, o cuandoestá a temperaturas bajas, su poder de absorción y emisívidad son siemprealtos, excepto cuando están pigmentados con aluminio u otra capa metálica. Poresta razón, en el rendimiento de un radiador en viviendas no influye el colorde su pintura, ya que funciona a bajas temperaturas y radiaciones de ondalarga. Son enormemente importantes las propiedades de radiación del vidrio. Elvidrio se utiliza porque es prácticamente transparente a las radiaciones deonda corta. Para longitudes de onda mayores, no obstante, es casi opaco y comoveremos más tarde podemos aprovechar en gran medida estas características.
Otro factor, con efecto opuesto, es la presencia de radiaciones de ondalarga provenientes de la atmósfera. Esta es la re-emisión, de la energíaabsorbida fundamentalmente por las moléculas de dióxido de carbono y de vaporde agua, de la radiación solar, y de la radiación y convección de la tierra.Estas moléculas tienen energía de vibración y de rotación, por lo cual lasvariaciones cuánticas corresponden a energía de ciertos fotones de longitudesde onda dentro del espectro visible y del infrarrojo. Parte de la energía seredistribuye antes de la reemisión, pero el espectro de emisión de la atmósferasigue mostrando unas líneas y bandas bastante diferenciadas que corresponden alas longitudes de onda de absorción.
