Resumen: Unidad 1 Materiales Fototérmicos Por: José Luis GB df
Resumen U1
1. Cuerpo negro: cuerpo capaz de absorber y emitir toda la radiación que incide sobre él. Considerando todas las longitudes de onda y frecuencias.
1.1. Ley de Steffan-Boltzmann: todos los cuerpos emiten radiación EM por el simple hecho de estar a una temperatura distinta de cero. Se modela con la siguiente ecuación: E=sigma*¨T^4 Donde sigma es la constante de Steffan-Boltzmann [5.67x10^-8 W*m^2*K^-4]
1.2. Ley de la radiación de Planck: Modela la energía radiada en una longitud de onda característica desde un cuerpo negro a una determinada temperatura.
1.3. Ley de Wien: Establece que existe una relación inversa entre la longitud de onda en la que se produce el pico de emisión de un cuerpo negro y su temperatura.
2. Interacción de la materia con la radiación EM y la emisión de radiación EM
2.1. Cuando la materia interacciona con energía térmica o radiación EM, los átomos y moléculas pueden cambiar su estado "relajado" a un estado excitado, en donde permanecerán así por un cierto tiempo. En este proceso, cederán la energía que absorbieron al ambiente en forma de calor o fotones.
2.2. La radiación EM se origina cuando las partículas excitadas se relajan a niveles de menor energía, cediendo su exceso de energía en forma de fotones. Esta excitación es puede producir por medio de diversos medios como: -Rayos X -Exposición a flamas de calor o a chispas de AC -Irradiación con un haz EM
2.2.1. A la energía emitida por estas fuentes se le conoce como espectro de emisión. Se modela como una representación de la potencia relativa de la radiación emitida en términos de la longitud de onda o de la frecuencia.
2.2.2. Si la radiación atraviesa una capa de sólido, líquido o gas algunas de las frecuencias se pueden "transferir" a las moléculas del material que componen al material. Esto provoca que las partículas pasen del estado normal a una temperatura ambiente o a estados de mayor energía.
2.2.3. Espectroscopía: estudio de interacción entre la radiación EM y la materia. Con énfasis en la absorción o emisión de la energía radiante. Se basa en la detección de la absorción o emisión del radiación EM con ciertas longitudes de onda .
2.2.4. Medidas espectro químicas: Son métodos basados en la emisión, luminiscencia, dispersión, absorción, transmitancia y absorbancia de la luz sobre ciertos materiales.
2.2.4.1. Emisión, luminiscencia y dispersión: Consta de la medición de la potencia de la radiación emitida por un analito tras su excitación. Es directamente proporcional a la concentración del analito.
2.2.4.2. Absorción: Requiere medidas de potencia: antes de que el haz incida en el analito y otra después de que incida.
2.2.4.3. Transmitancia y absorbancia: cuando un rayo de luz de determinada longitud de onda incide perpendicularmente sobre una disolución química con un cromóforo, el compuesto va a absorber una fracción de la radiación incidente. La absorbancia es un concepto relacionado con la muestra, porque nos indica la cantidad de luz absorbida por la misma. Si la absostancia = 0, la muestra no va a absorber nada de radiación a la longitud de onda deseada.
2.2.4.4. Le de Lambert Beer: Expresa la relación entre la absorbancia de luz monocromática y de la concentración del cromóforo en una solución.
3. Radiación solar: Mayor cantidad de energía que existe de manera natural en nuestro universo. Se deriva de las diferentes reacciones nucleares que se dan en el interior del sol. La radiación solar va a tener efectos sobre los gases atmosféricos, modificando su composición y estado físico. El conocido calentamiento global es derivado de la excitación del CO2 con la radiación.
3.1. Radiación directa: llega directamente del sol sin sufrir cambios de dirección. Se caracteriza por proyectar sombras sobre objetos opacos.
3.2. Radiación difusa: Porción de la radiación que atraviesa la atmósfera reflejada y absorbida por las nubes . Es omnidireccional, desviándose en resto de las partículas suspendidas y objetos de la atmósfera.
3.3. Radiación Reflejada: Porción de la radiación reflejada por la superficie terrestre. Depende del coeficiente de reflexión de la superficie.
3.4. Radiación global: Suma de todas las radiaciones mencionadas anteriormente.
4. Efectos de la radiación sobre los gases atmosféricos. La energía solar tiene longitudes de onda entre 0.15 micras y 4 micras, ergo es capaz de ionizar un átomo, excitar sus electrones, disociar una molécula y hacerla vibrar(como LuisMi).
4.1. Energía radiante Q [Joules]: Energía que transporta una onda EM.
4.2. Densidad de energía W [J*m^3] Cantidad de energía por unidad de volumen.
4.3. Flujo radiante PHI [Watts]: Energía radiada desde una superficie por unidad de tiempo.
4.4. Densidad de flujo radiante [W*m^2]: Flujo radiante interceptado por unidad de superficie.
4.5. Irradiancia E: densidad de flujo radiante al momento de penetrar la superficie.
4.6. Emitancia M: Densidad de flujo al momento de salir de la superficie
4.7. Constante solar: 1418W/m^2 avg.
5. Radiometría: Campo de la ciencia e ingeniería que se encarga de la medición de radiación EM Fotometría, fenómenos de transporte de calor, carga y masa, conservación de la energía
5.1. Flujo luminoso: Parte de la potencia radiante total emitida por una fuente de luz capaz de dañar momentáneamente la visión.
5.2. Lumen lm: flujo luminoso emitido desde una abertura de 0.016 cm^2 desde una fuente patrón.
5.3. Calor: energía de tránsito entre un sistema y su entorno por diferencia de temperaturas.
5.4. Conservación de la energía: toda la energía que entra a un sistema menos la que sale del mismo debe ser igual a la que se quedó acumulada en el sistema.
5.5. Cuando se suministra energía en un sistema (en forma de calor), si no hace trabajo, la energía interna se incrementa y por consiguiente, también la temperatura del sistema.
6. Transferencia de calor: Recordaremos conceptos básicos
6.1. Conducción: Transporta energía térmica en forma de calor por medio de interacciones moleculares. No hay transporte de materia.
6.2. Convección: Transporta energía térmica en forma de calor por medio de corrientes convectivas en un fluido.
6.3. Radiación: Transporte de calor por medio de ondas electromagnéticas emitidas en función de la temperatura de la superficie.
7. Radiación EM: La radiación EM es el producto vectorial del vector de campo eléctrico con el campo magnético. Siempre son perpendiculares. Físicamente, podemos percibirlas como ondas.
7.1. Ondas EM
7.1.1. Se propagan en línea recta. No necesitan un medio para propagarse. + frecuencia, + energía La potencia disminuye con más distancia.
7.1.1.1. Amplitud Desplazamiento máximo respecto a la posición de equilibrio.
7.1.1.1.1. Valle y cresta
7.1.1.1.2. Nodo
7.1.1.2. Vel. de propagación
7.1.1.2.1. Espacio recorrido por la onda en una unidad de tiempo. [c=3X10^8 m/s]
7.1.1.3. Long. de onda
7.1.1.3.1. Distancia entre dos puntos análogos consecutivos. (La luz roja tiene menor long. de onda respecto a la morada).
7.1.1.4. Periodo
7.1.1.4.1. Tiempo invertido en efectuar un ciclo o vibración completa
7.1.1.5. Frecuenca
7.1.1.5.1. Número de ciclos o vibraciones por unidad de tiempo [Hz]
7.2. Espectro EM
7.2.1. La luz visible (400-700 nm) es la única fracción del espectro que es sensible a nuestros ojos. Claramente, existen más longitudes de onda por encima y debajo del rango visible.
7.2.1.1. Radio (1x10^3 m)
7.2.1.1.1. Usadas para comunicaciones y señales de TV
7.2.1.2. Microondas (1x10^3 - 1x10^-2 m)
7.2.1.2.1. Ondas de radio de muy alta frecuencia. Capaces de excitar la molécula del agua, y se emplean en el horno de microondas
7.2.1.3. infrarrojo (1x10^-2 - 1x10^-5 m)
7.2.1.3.1. Producida por cuerpos que producen calor, diodos y láseres. Todos los cuerpos con temperaturas mayores al cero absoluto las producen. Se emplean en controles remotos, guías de armas y fotografías con efectos nocturnos
7.2.1.4. Visible (1x10^-5 - 0.5x10^-6 m)
7.2.1.4.1. Las frecuencias más bajas se perciben como rojas y las de mayor frecuencia como violetas.
7.2.1.5. UV (0.5x10^-6 - 1x10^-8 m)
7.2.1.5.1. Su fuente natural es el sol. Fácil de replicar con lámpara de Hg. Su uso principal es para esterilización de equipos y sellad amalgamas dentales.
7.2.1.6. Rayos X (1x10^-8 - 1x10^-10 m)
7.2.1.6.1. Descubiertos por Wilhelm Röntgen. Capaces de atravesar la materia e imprimirse en películas fotográficas.
7.2.1.7. Rayos Gamma (1x10^-10 - 1x10^-12 m)
7.2.1.7.1. Los más energéticos. por su longitud de onda corta, pueden atravesar hojas de papel, láminas de aluminio, placas de plomo , materiales más densos. Lo único que los detiene es el hormigón o bloques de agua.
8. Teoría cuántica de Planck Planck decía que, los átomos tienen la propiedad de absorber o emitir energía sólo en cantidades pequeñas. Él las bautizó como cuantos.
8.1. La energía se modela con: E=h*v Donde h= constante de Planck[6.67x10^-34 J*s] v= frecuencia. Donde: v=c/lambda Donde c= constante de la velocidad de la luz [3x10^8 m/s] lambda= longitud de onda [m]
8.2. |
9. Naturaleza dual del electrón
9.1. Si el único electón del hidrógeno se comporta como una onda fija, su longitude deberá ajustarse exactamente a la circunferencia de su órbita.
9.1.1. Por lo tanto, los electrones se comportan como partículas, con propiedades ondulatorias.
10. Teoría cuántica de la luz de Einstein
10.1. Efecto fotoeléctrico Fenómeno donde los electrones son expulsados desde la superficie de ciertos metales expuestos a la luz de alguna frecuencia conocida (frecuencia de umbral)
10.2. Teoría ondulatoria: El # de electrones liberados es proporcional a la intensidad de la luz Cada uno de estos fotones tiene una energía modelada con E=h*v
10.2.1. Para cada sustancia hay una frecuencia de umbral de la radiación EM donde, aunque sea muy intensa, no se producen fotoelectrones.
10.2.2. La emisión electrónica aumenta conforme aumenta la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal.
10.3. Dualidad: onda - partícula
10.3.1. Gracias al efecto fotoeléctrico, se demostró que los electrones no eran partículas, sino que se comportaban como ondas.
10.3.2. Relaciona la frecuencia y la longitud de onda con la energía y el momentum de las partículas como fotones
10.3.3. Supuestamente, la luz (o cualquier otra onda EM) con frecuencia f puede ser considerada como una corriente de fotones.
10.3.4. Cuando incide un rayo con mayor frecuencia, los electrones emitidos van a adquirir una cierta frecuencia. Ec=hv-W Donde W= función de trabajo del material.
10.3.4.1. Si el fotón tiene una frecuencia alta, su energía cinética será alta.
11. Óptica: Consideremos las siguientes propiedas:
11.1. Reflexión: Sólo ocurre para conductores perfectos. Si la superficie reflectora no es plana, la reflexión será distinta.
11.2. Refracción: cambio de direcciones de un rayo al pasar en dirección oblicua de un medio a otro. La velocidad de propagación de una onda EM es inversamente proporcional a la densidad del medio en el cual se propaga.
11.2.1. Índice de refracción: relación de la velocidad de propagación de la luz en el espacio vacío entre la velocidad de propagación de la luz dentro del material por el que pasa la luz.