Radiación térmica

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Aunque no es la única forma debido a la que un material puede producir luz, todos los objetos emiten radiación electromagnética por el simple hecho de tener una temperatura. Un hierro candente tiene color rojizo, el filamento de una bombilla -más caliente- es más amarillo, y la luz que vemos del sol es blanca. Los objetos más fríos también producen radiación, pero infrarroja, con mayor longitud de onda que el espectro visible. De esta manera una cámara de un sistema de seguridad puede detectar un intruso moviéndose en la oscuridad. A esta radiación se denomina térmica o de cuerpo negro, y tiene un espectro muy característico que depende exclusivamente de la temperatura. A finales del siglo XIX la explicación de esta curva fue un verdadero rompedero de cabeza, que condujo junto con otros descubrimientos a erigir la mecánica cuántica. Sin profundizar en fórmulas, intentaré transmitir los principios subyacentes y las aplicaciones prácticas de este fenómeno.

Radiación térmica (fuente: Darth Kule)
Radiación térmica (fuente: Darth Kule)

Desde un punto de vista microscópico, la temperatura es una medida de la energía cinética de las partículas que componen un cuerpo. Si se trata de un gas, en el que las moléculas se mueven prácticamente en libertad, la energía cinética media y la temperatura son proporcionales al cuadrado de la velocidad media. Si hablamos de un sólido, aunque las fuerzas atractivas prácticamente retienen las moléculas en sus posiciones, éstas sufren vibraciones en sus posiciones de equilibrio mediadas por fuerzas electromagnéticas, y pueden modelarse como osciladores armónicos. La estadística determina la distribución de estas energías. Hay muy pocos fotones con energías reducidas, y longitudes de onda grandes. Es la parte derecha del espectro que figura arriba. Si examinamos energías mayores -es decir, nos movemos a la izquierda del espectro- irá aumentando el número de osciladores con dichas energías. Eso es así hasta alcanzar la velocidad media que, como se ha dicho, depende de la temperatura. A más temperatura, mayores energías, y la curva se desplaza a la izquierda; es decir, hacia frecuencias más altas. Por ello, conforme aumenta la temperatura del cuerpo, se va pasando de un predominio de radiación infrarroja a alcanzar tonos rojos o, yendo a más, azules.
Ésta es la explicación clásica del espectro, sencilla, hermosa y profundamente errónea. En la gráfica superior se puede comparar la curva experimental de la temperatura de 5000K, en azul, y la calculada, en negro. Si en el extremo derecho el espectro puede parecerse, aunque con valores diferentes, en el izquierdo, en la radiación ultravioleta, la explicación se quiebra. En realidad, por la mecánica cuántica sabemos que las partículas no pueden tener cualquier energía, sino que ésta se intercambia en paquetes discretos. A frecuencias altas, los paquetes son muy energéticos (E=hf) y su emisión, infrecuente. Con esto en mente, y rehaciendo los cálculos estadísticos, el resultado matemático clava las mediciones.
Resumiendo, cualquier cuerpo emite radiación térmica. Su espectro depende únicamente de la temperatura. Y conforme ésta aumenta, la luz que emite tiene una frecuencia mayor. De hecho, es un método estupendo para medir temperaturas, y es el principio que emplean las cámaras térmicas. Mediante ellas se puede determinar la temperatura de un punto no accesible, detectar puntos calientes en una instalación, o incluso prevenir intrusismo (no confundir con cámaras de visión nocturna, que usualmente muestran luz infrarroja reflejada). Se emplean ampliamente para detección de fugas, incendios, calentamiento de componentes eléctricos, fricciones, defectos de aislamiento, etc.

Imagen térmica (fuente: Torsten Henning)
Imagen térmica (fuente: Torsten Henning)
Sin necesidad de representar una imagen completa, un sensor térmico puede medir la temperatura a partir del espectro recibido. En puntos donde no es posible ubicar un termómetro, como la llama de un quemador, se convierten en la única alternativa en instrumentación.
Pero las aplicaciones más directas de la radiación térmica son la producción de luz o calor. En cuanto a la primera, y aunque las lámparas incandescentes están en desuso por su ineficiencia, son conocidas por todos las bombillas de filamento. Se calienta una resistencia mediante el paso de corriente en un bulbo con vacío o gas inerte y ésta ilumina de acuerdo al espectro térmico que corresponde a su temperatura. De hecho, esta forma de denominar el color de una lámpara, indicando su temperatura, se sigue usando para las nuevas tecnologías. Así, decimos que la luz cálida tiene en torno a 3000K, y la fría unos 6000K. El problema de las lámparas incandescentes es que buena parte de la radiación no se produce en la franja estrecha de la luz visible, y se desperdicia por tanto para su cometido.
No es el caso de los calefactores de radiación infrarroja, donde toda la radiación emitida acabará produciendo calor. Frente a radiadores por convección, tienen la ventaja de actuar inmediatamente, por lo que son usados en baños o espacios reducidos.

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