FÍSICA · RADIACIÓN Y CALOR
Del Sol y las brasas a una célula solar: reconoce cómo la radiación transporta energía y practica cálculos de frecuencia, fotones y transferencia térmica.
La radiación térmica es la emisión asociada a la temperatura de la materia. Cuando existe una transferencia neta por diferencia de temperatura, hablamos de calor; no se reduce a transportar energía cinética.
EJEMPLO 01
La superficie terrestre recibe parte de la radiación emitida por el Sol.
El trayecto espacial no requiere aire ni otro medio material.
La energía absorbida puede aumentar la energía interna; otra parte se refleja.
Resultado: La energía atraviesa el espacio por radiación
Condiciones: La temperatura depende del balance entre entradas y salidas. La Tierra también emite radiación.
EJEMPLO 02
La carrocería recibe radiación solar y puede calentarse.
Una pintura con alta absorción solar incorpora más energía incidente, en igualdad de condiciones.
El coche ya emitía radiación antes de calentarse; al aumentar su temperatura cambia su emisión.
Resultado: Absorción solar y emisión térmica simultáneas
Condiciones: El color visible no basta para fijar la emisividad infrarroja. Intervienen pintura, vidrios, aire y geometría.
EJEMPLO 03
Las brasas calientes emiten infrarrojo y, si están suficientemente calientes, luz visible.
Parte de esa radiación llega a paredes y objetos próximos y es absorbida.
Resultado: Radiación desde las brasas hacia otras superficies
Condiciones: También hay gases calientes y convección. La radiación no necesita que esos gases lleguen al objeto receptor.
EJEMPLO 04
La llama y los gases de combustión pueden radiar hacia el recipiente.
El recipiente absorbe parte de esa energía.
El flujo de gases también le transfiere calor por convección; después hay conducción en el metal.
Resultado: Radiación junto con convección
Condiciones: La proporción radiativa depende de la llama, composición, temperatura y disposición. No se atribuye todo el calentamiento a radiación.
EJEMPLO 05
La piel emite radiación térmica y recibe la que procede del entorno.
Si las superficies que ve están más frías, puede emitir más energía de la que absorbe de ellas.
Resultado: Puede haber pérdida neta por radiación
Condiciones: No implica que una persona deba llegar a la temperatura de la habitación: metabolismo, ropa y otros intercambios forman parte del balance.
EJEMPLO 06
La base caliente de una plancha emite radiación hacia su entorno.
Un objeto frente a ella puede absorber parte de esa radiación.
Resultado: Una superficie puede calentar otra a distancia
Condiciones: El aire también participa por convección. No hace falta acercar la mano ni tocar la base para ilustrar el mecanismo.
EJEMPLO 07
La arena absorbe parte de la energía solar y emite principalmente infrarrojo a temperaturas habituales.
La emisión ocurre tanto de día como de noche y depende de la temperatura y la superficie.
Resultado: La arena emite radiación incluso sin brillo visible
Condiciones: No es una descarga que comience tras acumular cierta cantidad de calor. También intercambia energía con el aire y el suelo.
EJEMPLO 08
Durante su funcionamiento, un aparato puede elevar la temperatura de su carcasa.
La superficie caliente emite radiación; también absorbe la que llega del entorno.
Resultado: La radiación es una de las vías de disipación
Condiciones: Conducción y convección suelen coexistir. La radiación no aparece únicamente cuando la energía es un «exceso».
EJEMPLO 09
En este tipo concreto de calefactor, una resistencia calienta aceite interno y la energía llega a la carcasa.
La superficie emite radiación hacia la habitación y transfiere calor al aire por convección.
Resultado: La superficie radia y calienta aire
Condiciones: El aceite redistribuye energía dentro del aparato; no todos los calefactores contienen un fluido.
EJEMPLO 10
Una pieza de metal suficientemente caliente puede verse roja o anaranjada.
La incandescencia es emisión térmica; además de lo visible, existe radiación en otras longitudes de onda.
Resultado: El metal emite también luz visible
Condiciones: Una fotografía no determina por sí sola la temperatura: influyen exposición, superficie y respuesta de la cámara. No se comprueba acercando la mano.
EJEMPLO 11
La célula fotovoltaica absorbe parte de la luz y produce energía eléctrica.
Puede alimentar una calculadora o, con un sistema apropiado, motores, timbres, alumbrado, radios y vehículos.
Resultado: Radiación convertida en electricidad
Condiciones: La célula convierte energía; una batería la almacena. No todo lo absorbido acaba como electricidad.
EJEMPLO 12
Un captador puede calentar agua; un destilador evapora agua y recoge condensado; un secador favorece la eliminación de humedad.
La absorción transforma energía radiante en energía interna.
Evaporación y condensación requieren además intercambios de energía asociados al cambio de fase.
Resultado: Tres usos térmicos de la energía solar
Condiciones: Un captador no destila por el mero hecho de calentarse. La aptitud del agua obtenida para consumo requiere controles propios.
EJEMPLO 13
Una pintura de control térmico puede tener baja absorción solar y alta emisividad infrarroja.
Las propiedades cambian con la longitud de onda; «blanco» describe su apariencia visible.
Resultado: Reflejar luz solar y emitir infrarrojo son compatibles
Condiciones: No se puede asignar una emisividad universal a todos los objetos blancos ni a todos los negros.
EJEMPLO 14
Un acristalamiento puede transmitir luz visible y limitar otras bandas mediante sus materiales y recubrimientos.
Parte de la radiación incidente se transmite; otra se refleja o se absorbe.
Resultado: Transparencia visible no significa transparencia a todo
Condiciones: Las proporciones dependen de longitud de onda, espesor, ángulo y recubrimiento. No hay transmisión del 100 % de toda radiación por ser transparente.
EJEMPLO 15
Las cargas aceleradas en una antena producen ondas que transportan energía.
El receptor puede detectar una banda de frecuencias de esa señal.
Resultado: Radiación electromagnética sin ser emisión térmica dominante
Condiciones: «Electromagnética» es más amplio que «térmica». Una antena real también emite débilmente por su temperatura, pero ese no es el mecanismo principal de la señal.
EJEMPLO 16
Un radar emite una señal y analiza su retorno tras interaccionar con un objeto.
Radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X y gamma son regiones del espectro.
Resultado: Las microondas pertenecen al espectro electromagnético
Condiciones: El nombre de una banda no determina por sí solo el calentamiento producido: cuentan energía absorbida, potencia y tiempo.
EJEMPLO 17
Una onda tiene longitud de onda en el vacío λ = 600 nm.
600 nm = 6,00 × 10⁻⁷ m.
f = c/λ = 299 792 458/(6,00 × 10⁻⁷) ≈ 5,00 × 10¹⁴ Hz.
Resultado: f ≈ 5,00 × 10¹⁴ Hz
Condiciones: Se usa la longitud de onda en el vacío. En un medio material la relación es v = λf, con la velocidad de fase del medio.
EJEMPLO 18
Calcula la energía de un fotón cuya longitud de onda en el vacío es 500 nm.
λ = 5,00 × 10⁻⁷ m.
E = hc/λ = (6,62607015 × 10⁻³⁴)(299 792 458)/(5,00 × 10⁻⁷).
E ≈ 3,97 × 10⁻¹⁹ J por fotón.
Resultado: E ≈ 3,97 × 10⁻¹⁹ J
Condiciones: Es energía por fotón, no la potencia total de un haz. Esta también depende del número de fotones por segundo.
EJEMPLO 19
Una superficie tiene ε = 0,80, A = 0,50 m² y T = 400 K.
Pemit = εσAT⁴.
Pemit = 0,80 × (5,670374419 × 10⁻⁸) × 0,50 × 400⁴ ≈ 580,65 W.
Resultado: Pemit ≈ 580,65 W
Condiciones: Es toda la emisión térmica de esa área, no su pérdida neta. ε es una emisividad total media dada para el ejercicio.
EJEMPLO 20
Ahora la placa está a 400 K dentro de un recinto a 300 K. ε = 0,80; A = 0,50 m².
Pneta = εσA(T⁴ − Talr⁴).
Pneta = 0,80 × (5,670374419 × 10⁻⁸) × 0,50 × (400⁴ − 300⁴) ≈ 396,93 W.
Resultado: Pneta ≈ +396,93 W
Condiciones: Superficie gris con temperatura y emisividad uniformes. Para el intercambio neto: objeto pequeño dentro de un recinto grande, isotermo, opaco y a la temperatura indicada; medio transparente a la radiación. No incluye convección ni conducción.
EJEMPLO 21
Un objeto a 280 K está en un recinto a 300 K. ε = 0,90; A = 0,50 m².
Pneta = 0,90 × (5,670374419 × 10⁻⁸) × 0,50 × (280⁴ − 300⁴) ≈ −49,85 W.
El signo negativo indica una ganancia neta de energía radiativa del objeto.
Resultado: Pneta ≈ −49,85 W
Condiciones: Superficie gris con temperatura y emisividad uniformes. Para el intercambio neto: objeto pequeño dentro de un recinto grande, isotermo, opaco y a la temperatura indicada; medio transparente a la radiación. No incluye convección ni conducción.
EJEMPLO 22
Objeto y recinto están a 300 K; ε = 0,80 y A = 0,50 m².
Pneta = εσA(300⁴ − 300⁴) = 0 W.
La emisión del objeto y la absorción se compensan; no desaparecen los fotones.
Resultado: Pneta = 0 W, aunque hay emisión
Condiciones: Superficie gris con temperatura y emisividad uniformes. Para el intercambio neto: objeto pequeño dentro de un recinto grande, isotermo, opaco y a la temperatura indicada; medio transparente a la radiación. No incluye convección ni conducción.
EJEMPLO 23
Compara la potencia emitida a 300 K y a 600 K con igual área y emisividad.
P₂/P₁ = (T₂/T₁)⁴ = (600/300)⁴ = 16.
Resultado: La emisión se multiplica por 16
Condiciones: Relación para potencia emitida, no para potencia neta a un entorno dado. Duplicar grados Celsius no equivale a duplicar kelvin.
EJEMPLO 24
Modela una superficie como cuerpo negro a 300 K.
Ley de Wien: λmáx = b/T, con b ≈ 2,898 × 10⁻³ m·K.
λmáx = (2,898 × 10⁻³)/300 = 9,66 × 10⁻⁶ m = 9,66 μm.
Resultado: λmáx ≈ 9,66 μm a 300 K
Condiciones: Máximo del espectro expresado por unidad de longitud de onda. No significa que emita solo a esa longitud; el pico cambia si el espectro se expresa por frecuencia.
c = 299 792 458 m/s y h = 6,62607015 × 10⁻³⁴ J·s son valores exactos del SI. Para los cálculos usamos σ ≈ 5,670374419 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴). La emisividad ε es adimensional; el cuerpo negro ideal tiene ε = 1. Un cuerpo gris supone una emisividad independiente de la longitud de onda en el modelo.
Convierte antes de elevar: T en K = temperatura en °C + 273,15. No se eleva una temperatura Celsius a la cuarta ni se sustituye T⁴ − Talr⁴ por (T − Talr)⁴.
La fórmula neta empleada supone una superficie gris pequeña completamente rodeada por un recinto grande e isotermo, con un medio que no absorbe de forma apreciable la radiación. Para dos superficies finitas, reflejos o gases participantes hacen falta un modelo de intercambio y factores geométricos. No basta insertar la temperatura del aire en cualquier situación.
Un cuerpo real a temperatura superior a 0 K puede emitir radiación térmica sin verse luminoso. A la vez recibe radiación que puede absorber, reflejar o transmitir. Para una misma banda y las mismas condiciones, esas tres fracciones suman uno; en un cuerpo opaco la transmisión es nula.
La emisión puede tener distinta distribución angular según la superficie: no siempre sale con igual intensidad en todas las direcciones. Su origen térmico está relacionado con las fluctuaciones de las cargas en la materia; no toda emisión electromagnética procede del mismo mecanismo microscópico ni es térmica.
En una onda electromagnética plana que se propaga en el vacío, los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. No hace falta un medio material; los materiales sí pueden absorber, reflejar, transmitir o desviar la radiación. El vacío no garantiza por sí solo un intercambio mayor: también cuentan distancia, orientación, temperatura y propiedades ópticas.
De menor a mayor longitud de onda: gamma → rayos X → ultravioleta → visible → infrarrojo → microondas → radio. En el vacío, al aumentar λ disminuyen f y la energía por fotón. Las divisiones son convencionales; algunas bandas pueden solaparse y los nombres también reflejan el origen de la radiación.
Un picómetro equivale a 10⁻¹² m; un nanómetro, a 10⁻⁹ m; un micrómetro, a 10⁻⁶ m. Pueden existir ondas mucho menores y mayores que las escalas citadas: el dibujo de un espectro no fija extremos absolutos.
El visible ocupa aproximadamente 400–700 nm, con límites perceptivos graduales. Incluye distintos colores: no toda luz visible es blanca. Una mezcla adecuada de componentes visibles puede percibirse blanca.
El Sol emite un espectro amplio. Como aproximación de cuerpo negro cercano a 5 800 K, su máximo por unidad de longitud de onda cae en el visible; esto no implica que toda su energía sea luz visible ni que llegue intacto todo el espectro a la superficie terrestre.
En esta comparación ε = 0,80, A = 0,50 m² y el gran recinto está a 300 K. Se mantienen las hipótesis del ejemplo 20.
| T (K) | Emitida | Neta saliente |
|---|---|---|
| 300 | 183,72 | 0,00 |
| 400 | 580,65 | 396,93 |
| 600 | 2939,52 | 2755,80 |
CONTRASTE 01
El extremo de una cuchara se calienta al estar dentro de una bebida caliente.
La energía se propaga por el sólido sin necesidad de radiación entre sus extremos.
Resultado: Conducción dentro de la cuchara
Condiciones: La cuchara también puede radiar al entorno; aquí se identifica el mecanismo dentro del metal.
CONTRASTE 02
Un ventilador mueve aire caliente hacia otra zona.
La circulación material participa en la transferencia convectiva.
Resultado: Transporte de energía por movimiento del fluido
Condiciones: La radiación puede coexistir, pero no es el desplazamiento de aire.
Usa las constantes anteriores. Para el intercambio neto, conserva el modelo de recinto y el signo positivo hacia fuera.
Selección y desarrollo: Editorial Ejemplode. Revisión: 7 de octubre de 2026.