RADIACIÓN TÉRMICA Diana Ximena Delgado Triana (1.088’272.515) ), Hernan Steven Marin Rodriguez (92.050’959.688), Andrés Felipe Valencia Agudelo (1.088’285.328). Laboratorio de Física III, Grupo No 15, Subgrupo No 2, Martes 4-6. Francisco Javier Cataño Alzate Fecha de entrega del informe: 25/05/2011
RESUMEN Lo que se pretende en este laboratorio de Fisica III, es demostrar y aprender más sobre el concepto de radiación térmica, además de comprobar de manera experimental la Ley de Stefan-Boltzmann para altas temperaturas y saberla sustentar junto con la Ley del Cuadrado inverso para la radiación térmica.
1. INTRODUCCIÓN La radiación térmica se encuentra en la región infrarroja del espectro electromagnético, el cual se extiende desde las señales de radiofrecuencia hasta los rayos gamma. Su fuente son los objetos calientes debido a las oscilaciones de las moléculas que los conforman. La energía asociada a la radiación térmica se puede medir utilizando sensores tales como los termopares, los cuales responden al calor generado por algún tipo de superficie. Se dice que un cuerpo se encuentra en equilibrio térmico cuando emite la misma cantidad de radiación térmica que absorbe; desprendiéndose de aquí, que los buenos absorbentes de la radiación son buenos emisores de la misma. A un buen absorbente o emisor de la radiación se le llama cuerpo negro y su radiación se
conoce como radiación de cuerpo negro.
2. OBJETIVOS 2.1. Introducir experimentalmente el concepto de radiación térmica. 2.2. Comprobar la Ley de StefanBoltzmann para altas temperaturas. 2.3. Verificar la Ley del Cuadrado Inverso para la Radiación Térmica.
3. DESCRIPCIÓN DE MATERIALES MATERIALES Y EQUIPO 3.1. Sensor de radiación PASCO TD8553.
3.2. Cubo de radiación térmica TD8554ª.
del sensor esté relativamente constante (Bloque de icopor).
3.3. TD-8555 Lámpara de StefanBoltzmann.
4.1.1. Se midió la temperatura en el laboratorio T ref en Kelvin (K = C + 273). Asumió una
Amperímetro, 3.4. Voltímetro, Óhmetro, Fuente de Voltaje (12 VDC3A).
resistencia de (0.3 ± 0.1)Ω
3.5. Ventada de vidrio, láminas aislantes con recubrimiento de aluminio, lámina de triplex pequeña, lámina de aluminio, cinta métrica y algunos otros materiales que puedan ensayar como bloqueadores de la radiación térmica.
4.1.2. Se monto el equipo como indicaba la Guia de Laboratorio de Física III. El voltímetro estaba conectado directamente a la lámpara. El sensor estaba a la misma altura del filamento, con la cara frontal del sensor aproximadamente a 6 cm del filamento. El ángulo de entrada a la termopila no incluía otros objetos cercanos diferentes a la lámpara.
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMETAL Nota: Cuando use el sensor de radiación, siempre protéjalo de objetos calientes excepto por los pocos segundos que realmente toma hacer las medidas. Esto previene el calentamiento de la termopila lo cual cambiará la temperatura de referencia y alterará la lectura. 4.1. Ley de Stefan-Boltzmann a altas temperaturas:
para una temperatura cercana a 295 K.
4.1.3. Se encendió la fuente de voltaje. Para cada voltaje de la tabla 5.2, se anoto el calor de la corriente I leída en el amperímetro, y el valor de la radiación R leído en el voltímetro. 4.2. Ley del Cuadrado Inverso:
Importante: El voltaje en la lámpara no puede exceder los trece voltios. Realice cada lectura rápidamente. Entre lecturas, coloque un protector, de tal modo que la temperatura
Importante: Se hace cada lectura del sensor rápidamente. Entre lecturas, se coloca las dos láminas bloqueadoras de la radiación entre la lámpara y el sensor, con la superficie
plateada frente a la lámpara, de tal manera que la temperatura del sensor permanezca relativamente constante.
4.2.1. Se monto el equipo como se muestra en la Guía de Laboratorio de Física III.
conecto el 4.2.1.5. Se sensor al voltímetro y la lámpara a la fuente de voltaje como se indica en la Guía de Laboratorio de Física III.
coloco la 4.2.1.2. Se lámpara de StefanBoltzmann en uno de los extremos de la cinta métrica como se muestra en la Guía. El cero de la cinta métrica estaba alineado con el centro del filamento de la lámpara.
4.2.2. Con la lámpara apagada, se deslizo el sensor a lo largo de la cinta métrica. Se anotaron las lecturas del milivoltímetro a intervalos de 10 cm. Se promediaron estos valores para determinar el nivel ambiental de radiación térmica. Se necesito sustraer este valor promedio ambiental de las mediciones con la lámpara encendida, para poder determinar la contribución de la lámpara sola.
4.2.1.3. Se ajusto la altura del sensor de radiación tal que estuviera en el mismo plano del filamento de la lámpara de Stefan-Boltzmann.
4.2.3. Se acciono el control de la fuente de voltaje para encender la lámpara. Se coloco una diferencia de potencial aproximadamente de 10v.
oriento la 4.2.1.4. Se lámpara y el sensor de tal modo que, al deslizar el sensor a lo largo de la cinta métrica, el eje de la lámpara se alineara tan cerca como fue posible con el eje del sensor.
4.2.4. Se ajusto la distancia ente el sensor y la lámpara para cada una de las posiciones de la tabla 5,3 Se anota la lectura en el milivoltímetro para cada posición.
4.2.1.1. Se adhirió la cinta métrica a la mesa.
4.3. Introducción a la Radiación Térmica:
4.3.4. Se llevo la perilla de potencia, primero a 6,5, luego a 8,0 y luego a “HIGH”.
4.3.1. Se conecto el óhmetro y el voltímetro (utilizando la escala de mV) como se muestra en la Guía de Laboratorio de Física III. 4.3.2. Se llevo el interruptor del
Para cada uno de los valores anteriores se espero que el cubo alcanzara el equilibrio térmico, luego se repitió el paso anterior y se anotaron sus resultados en la tabla 5,1.
cubo de radiación a “ON” y
se llevo la perilla que controla la potencia del bombillo a la posición “HIGH”. Se mantuvo la vista
en la lectura del óhmetro. Cuando hasta cuando ella bajo alrededor de 40KΩ, se
puso la perilla en 5,0.
4.3.3. Cuando el cubo se encontró en equilibrio térmico, la lectura del óhmetro fluctuó alrededor de un relativo valor fijo. Se uso el sensor de radiación para medir la radiación emitida por cada una de las cuatro superficies del cubo. Se coloco el sensor tal que los terminales estuvieron en contacto con la superficie del cubo. Se anotaron sus medidas en la tabla 5,1. Se uso la información suministrada al final de la Guía para determinar la temperatura correspondiente.
4.3.5. Se coloco el sensor aproximadamente a 5 cm de la superficie negra del cubo de radiación térmica y se anoto la lectura. Se coloco una ventana de vidrio entre la superficie y el sensor. Es la ventana de vidrio un efectivo bloqueador de la radiación térmica? 4.3.6. Se removió la tapa del cubo de radiación y se repitió el paso anterior, ubicando el sensor directamente encima del bombillo. Se repitió con otros materiales. 4.3.7. Se apago el cubo de radiación y se desconecto.
5. TABLAS: 5.1. Tabla 5.1.
Power Setting 5.0 Therm. Res. Temperature Sensor Surface Reading (mV)
Radiation Rates from Different Surfaces Data and Calculations Power Setting 6.5 Power Setting 8.0 Therm. Res. Therm. Res. Temperature Temperature Sensor Sensor Surface Reading Surface Reading (mV) (mV)
Power Setting 10.0 Therm. Res. Temperature Sensor Surface Reading (mV)
5.2. Tabla 5.2.
V (Volts) 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00
Data I (Amps)
Rad (mV)
R (Ohms)
5.3. Tabla 5.3. X (cm) Ambient Radiation Level (mV) 10 20 30 40 50 60
Calculations T (K)
T* (K*)
70 80 90 100 Average Ambient Radiation Level = X (cm)
Rad (mV)
1/X2 (cm-2)
Rad-Ambient (mV)
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 6. DATOS OBTENIDOS
V (Volts) 1.00 2.00 3.00
Data I (Amps) 0,15 0,19 0,21
Rad (mV) 0,2 0,3 0,4
R (Ohms)
Calculations R ref (Ohms) T (K)
T* (K*)
4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
0,24 0,27 0,29 0,31 0,33 0,35 0,36
0,6 1 1,3 1,9 2,2 2,9 3,4
X (cm) Ambient Radiation Level (mV) 10 0,3 20 0,2 30 0,2 40 0,2 50 0,2 60 0,2 70 0,2 80 0,2 90 0,2 100 0,2 Average Ambient Radiation Level = X (cm)
Rad (mV)
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 25.0 30.0 35.0
35,6 25,5 18,4 13,1 11,1 8,3 6,1 4,3 3,2 2,6 2,1 1,4 1,1 0,9 0,7 0,6 0,4 0,3 0,2
1/X2 (cm-2)
Rad-Ambient (mV)
7. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 7.1. Ley de Stefan-Boltzmann a altas temperaturas: Resultado de las preguntas 7.1.1, 7.1.2, 7.1.3 y 7.1.4: DATOS
CALCULOS(con Rref= 0,3±0,1)
V (Voltios)
I (Amperios)
Rad (mV)
RT (Ohmios)
Rrelat (Ohmios)
T (ºK)
T4 (ºK4)
1
0,15
0,2
6,666666667
22,22222222
1385
3,68E+12
2
0,19
0,3
10,52631579
35,0877193
1917
1,35E+13
3
0,21
0,4
14,28571429
47,61904762
2509
3,96E+13
4
0,24
0,6
16,66666667
55,55555556
2943
7,50E+13
5
0,27
1
18,51851852
61,72839506
3265
1,14E+14
6
0,29
1,3
20,68965517
68,96551724
3485
1,48E+14
7
0,31
1,9
22,58064516
75,2688172
3456
1,43E+14
8
0,33
2,2
24,24242424
80,80808081
3432
1,39E+14
9
0,35
2,9
25,71428571
85,71428571
3590
1,66E+14
10
0,36
3,4
27,77777778
92,59259259
3610
1,70E+14
7.1.1. Calcule Rt, la resistencia del filamento a cada uno de los voltajes usados (R= V/I). Entre sus resultados en la tabla 5.2. 7.1.2. Divida Rt por Rref , para obtener la resistencia relativa (Rt/Rref ). 7.1.3. Utilizando los valores de resistividad relativa del filamento a temperatura T, use la tabla que se suministra al final de la Guía para determinar la
temperatura del filamento. Entre los resultados en la tabla.
7.1.4. Calcule el valor T 4 para cada valor de T y registre sus resultados en la tabla. 7.1.5. Construya una gráfica de radiación R en función de T 4.
7.1.6. Cuál es la relación ente R y T4?. Se verifica la Ley de Stefan-Boltzmann a altas temperaturas? Según como nos dio la gráfica de la radiación en función de la temperatura elevado a la cuarta potencia, la relación obedece a la Ley de Stefan-Boltzmann para altas temperaturas y la constante de StefanBoltzmann nos dio un valor aproximado al real. Ley de Stefan7.1.7. La Boltzmann es perfectamente cierta únicamente para la radiación de un cuerpo negro ideal. Es el filamento de la lámpara un verdadero cuerpo negro? Para nuestra consideración el filamento de la lámpara es casi un cuerpo real, pues según nuestros resultados no obedece a la perfección dicha Ley debido a los márgenes de error que se ven en los datos.
X (cm) Rad (mV) 2,5 3 3,5 4 4,5 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20 25 30 35
35,6 25,5 18,4 13,1 11,1 8,3 6,1 4,3 3,2 2,6 2,1 1,4 1,1 0,9 0,7 0,6 0,4 0,3 0,2
1/X² (cmˉ²)
Rad-Ambient (mV)
0.16 0.11 0.08 0.06 0.049 0.04 0.027 0.02 0.015 0.012 0.01 6.94*10^-3 5.10*10^-3 3.90*10^-3 3.08*10^-3 2.5*10^-3 1.6*10^-3 1.11*10^-3 8.16*10^-4
35.39 25.29 18.19 12.89 10.89 8.09 5.89 4.09 2.99 2.39 1.89 1.19 0.89 0.69 0.49 0.39 0.19 0.09 0
7.2.1. En una hoja de papel milimetrado construya una gráfica de nivel de radiación R en función de la distancia, usando los datos de la tabla 5.3.
7.2. Ley del Cuadrado Inverso: Los datos con los que se desarrolla esta parte del análisis son los siguientes:
7.2.2. Si su gráfica en el punto anterior no es lineal, construya una gráfica de nivel de radiación en función
de 1/X2, usando los datos de las columnas tres y cuatro de la tabla 5.3.
7.2.3. Cuál de las dos gráficas anteriores es más lineal? Es lineal sobre todo el rango de mediciones? Para la segunda gráfica se obtuvo una línea recta y es lineal para la mayoría de las mediciones
7.2.4. La Ley del inverso del cuadrado establece que la energía radiante por unidad de área emitida por una fuente puntual de radiación disminuye con el cuadrado de la distancia de la fuente al punto de detección. Sus datos verifican esta Ley?
Si observamos la gráfica se puede ver claramente que esta Ley si se cumple para los datos obtenidos en el laboratorio.
7.2.5. Es la lámpara de StefanBoltzmann verdaderamente una fuente puntual de radiación? Si no, cómo puede afectar esto sus resultados? Se nota este efecto en los resultados que usted tomó? Para efectos de cálculo lalámpara de StefanBoltzmann es una fuente puntual de radiación debido a que la cuarta potencia de la temperatura ambiente es despreciablemente pequeña comparada con la cuarta potencia de la alta temperatura del filamento de la lámpara.
7.3. Introducción a la radiación térmica: 7.3.1. Utilice la siguiente tabla para hacer la equivalencia ente resistencia y temperatura. Variación de radiación provenientes de diferentes superficies Datos y Cálculos Dial de Potencia 5 6,5 8 Resistencia Térmica (Ohm) 40,2 40 39 o Temperatura C 46 46 46
10 39 46
Superficie y lectura del sensor (mV)
7.3.2. Ordene las superficies del cubo de radiación de acuerdo a la cantidad de radiación emitida. Es el orden independiente de la temperatura? La temperatura es siempre la misma luego la resistencia vario muy poco, lo suficiente para considerarla estable.
7.3.3. Es una regla general que buenos absorbentes de la radiación son también buenos emisores? Son sus mediciones consistentes con esta regla?. Explique. Los buenos absorbentes son buenos emisores de radiación, la cara blanca y la negra registraron mayores niveles de radiación a medida que se aumentaba la potencia de dial con respecto a las otras caras. Las mediciones reflejan dicha situación. objetos, a 7.3.4. Diferentes aproximadamente la misma temperatura, emiten
Blanca Negra Aluminio Pulido Aluminio Opaco
2,3 2,5
2,3 2,4
2,5 2,4
2,7 2,6
0,2
0,1
0,2
0,1
1,7
1,6
1,7
1,9
diferentes cantidades radiación?
de
Objetos a una misma temperatura emiten diferentes cantidades de radiación lo demuestran las mediciones tomadas a las diferentes caras luego del equilibrio térmico.
7.3.5. Puede usted encontrar materiales en el laboratorio que bloqueen la radiación térmica? Puede usted encontrar materiales que no bloqueen la radiación térmica? (Por ejemplo, sus ropas efectivamente bloquean la radiación térmica emitida por su cuerpo?). Si en el laboratorio se encontró una lámina de eternit el cual es excelente bloqueador, en cambio una hoja de papel , una mano no bloquean significativamente la cantidad de radiación. sugieren sus 7.3.6. Qué resultados acerca del fenómeno de pérdida de
calor através ventanas?
de
las
El vidrio bloquea la radiación térmica y en los edificios ayuda a mantener la temperatura constante, ideales ara grandes edificios con grandes sistemas de refrigeración. sugieren sus 7.3.7. Qué resultados acerca del efecto invernadero? Los gases que permanecen en la atmosfera bloquean la radiación térmica y con ello contribuyen a que la temperatura se alcance cierto valor y así pueda emitirse al espacio la misma cantidad de energía que recibe.
8. CONCLUSIONES 8.1. Los gases producidos por la contaminación ambiental son absorbentes de la radiación de calor por lo tanto no lo dejan escapar produciendo así el efecto de invernadero de sobrecalentamiento de la tierra. 8.2. La temperatura ambiente no afecta los resultados esperados al comprobal la Ley de StefanBoltzmann.
8.3. Se verifico experimentalmente que la lámpara de StefanBoltzmann actúa como una fuente de radiación. 9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 9.1. Guia de Laboratorio de Física III de la Universidad Tecnológica de Pereira. 9.2. Sears, Zemansky, Young y Freddman, Física Universitaria. Volumen I. Ed Pearson. Undécima Edición. 2005. 9.3. Serway, Raymond. Física Tomo I y Tomo II, Cuarta edición. McGraw Hill, 1997.
