Calor y radiación electromagnética

[Saplaya]

Re: Calor y radiación electromagnética

Por curiosidad, he ido a ver mis apuntes de termodinámica de la carrera (no voy a decir la fecha que aparece en la esquina superior de cada hoja)

Los míos están tomados en papiro

Es decir, definimos el trabajo como "cualquier transferencia de energía que no se debe a trabajo". Después, miré la wikipedia y dan justo esa definición (en la versión inglesa). Y no lo hacen por capricho, lo hacen citando el libro Fundamentals of Statistical and Thermal Physics. Singapore: McGraw-Hll, Inc. p. 66.

Ya, pero esa es una definición; sin ir más lejos en esa misma página que comentas, en las referencias en la que se encuentra la que mencionan, también ponen otra del departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Georgia, donde lo definen como transferencia desde más caliente a más frío; y a partir de ella y de acuerdo con el primer principio todo el resto de transferencias tendrá que ser trabajo (de expansión o de rozamiento). Y si seguimos buscando seguro que encontraremos otros sitios con definiciones similares a las que estamos comentando y con otras definiciones.

De todas formas yo no me empeño en que está sea la única correcta, sencillamente hay diferentes formas de definir el calor y están ahí. Cualquiera de las definiciones es valida ya que al aplicar los principios de la termodinámica a un proceso dan los mismos resultados y por tanto, a mi me parece que es más una cuestión semántica que otra cosa. Me convence más la que comento por que siempre me ha resultado fácil con esa definición distinguir con facilidad lo que es trabajo de lo que es calor a la hora de aplicarlo. Si algún día hay consenso sobre una definición concreta, pues usaremos la que se decida.

Saludos

[ser humano]

Re: Calor y radiación electromagnética

Si algún día hay consenso sobre una definición concreta, pues usaremos la que se decida.

No a las arbitrariedades!

Saludos

[pod]

Re: Calor y radiación electromagnética

Si, pero ¿la emision en cada longitud de onda esta dada por la curva de Planck tambien?

En líneas generales sí, pero no exactamente.

Un buen ejemplo es lo que ocurre en las estrellas. Como algunas frecuencias coinciden exactamente con el ancho de alguna transición permitida en la estructura de niveles de un átomo concreto, la absorción prácticamente anula toda la emisión en una franja estrecha del espectro. También puede pasar lo contrario (franjas de emisión). De esta forma, podemos saber qué contienen las estrellas desde la distancia. En sólidos, como en vez de niveles tenemos bandas, es posible que absorban regiones más anchas del espectro.

Pero vamos, en líneas generales se cumplen más o menos los mismos principios que el cuerpo negro. Por eso se puede usar la radiación térmica para saber la temperatura con bastante precisión (las famosas cámaras térmicas que ilustran cada temperatura con un color).

¿Entonces la proporcion de la emision en cada longitud de onda no depende mucho de su poder reflectante ?
¿Para que se hizo el estudio de un cuerpo negro (que tiene propiedades tan especificas en relacion a su reflexion) pudiendo tomar un cuerpo generico (que tambien emite conforme a la curva de Planck)?

Gracias y saludos

Por el mismo motivo que si queremos estudiar oscilaciones utilizamos el oscilador armónico y no un péndulo real. Siempre intentamos estudiar el sistema más simple que tenga lo que queremos estudiar. "Simple, pero no simplista". Si queremos estudiar emisión, nos centraremos en un cuerpo que no refleje. Si queremos estudiar reflexión, estudiaremos un espejo.

Los míos están tomados en papiro



Ya, pero esa es una definición; sin ir más lejos en esa misma página que comentas, en las referencias en la que se encuentra la que mencionan, también ponen otra del departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Georgia, donde lo definen como transferencia desde más caliente a más frío; y a partir de ella y de acuerdo con el primer principio todo el resto de transferencias tendrá que ser trabajo (de expansión o de rozamiento). Y si seguimos buscando seguro que encontraremos otros sitios con definiciones similares a las que estamos comentando y con otras definiciones.

De todas formas yo no me empeño en que está sea la única correcta, sencillamente hay diferentes formas de definir el calor y están ahí. Cualquiera de las definiciones es valida ya que al aplicar los principios de la termodinámica a un proceso dan los mismos resultados y por tanto, a mi me parece que es más una cuestión semántica que otra cosa. Me convence más la que comento por que siempre me ha resultado fácil con esa definición distinguir con facilidad lo que es trabajo de lo que es calor a la hora de aplicarlo. Si algún día hay consenso sobre una definición concreta, pues usaremos la que se decida.

Saludos

El problema es que el trabajo sí que está bien definido, y su definición no es nada discutible. Proviene de la mecánica y no la podemos cambiar. Es fuerza por desplazamiento, y como estamos en el límite termodinámico, nos debemos referir a fuerzas macroscópicas y desplazamientos macroscópicos. No creo que esto se ponga en discusión.

Luego, definir calor como "transferencia de energía que va de un cuerpo caliente a uno frío" no me parece del todo completo (aunque yo mismo haya utilizado esa descripción a menudo, como debe ser públicamente comprobable a estas alturas). Porque un cuerpo caliente también puede empujar a uno frío, y eso no es calor, es trabajo. Me diréis que es un ejemplo casi trivial, pero bueno, hay que tenerlo en cuenta a la hora de poner una definición completa.

A parte de esto, ¿hay alguno de los principios de la termodinámica que prohíba que haya un flujo energético que no sea trabajo y vaya de un cuerpo frío a uno caliente? Por lo que yo sé, que no es que sea mucho pero bueno, no hay en ningún lugar tal prohibición. El segundo principio sólo dice que eso costará cierto trabajo (y que si no se ejerce dicho trabajo la transferencia de "caliente a frío" será inevitable), pero no dice que sea imposible.

Teniendo en cuenta todo esto, mi respuesta a este hilo es: la radiación electromagnética (de cualquier frecuencia y cualquier origen) sólo puede ejercer fuerza macroscópica sobre un cuerpo con carga neta. Por lo tanto, al ser absorbida por un cuerpo neutro, termodinámicamente la transferencia de energía siempre se debe entender como calor.

Luego, es cierto que dos cuerpos a diferentes temperaturas que no están tocándose, normalmente intercambiarán su radiación térmica de forma que el frío absorbe más que el caliente, y por lo tanto sus temperaturas se igualarán. Pero si aplicando trabajo sobre el cuerpo frío (ie, enchufándolo a la corriente eléctrica) conseguimos que emita más radiación electromagnética (que ya no será de origen térmico), entonces es posible revertir el flujo de calor, de forma que el cuerpo más caliente eleve su temperatura aún más. Esto está permitido por las leyes de la termo, debido a que pagamos el precio en forma de trabajo desaprovechado.

[ser humano]

Re: Calor y radiación electromagnética

Un buen ejemplo es lo que ocurre en las estrellas. Como algunas frecuencias coinciden exactamente con el ancho de alguna transición permitida en la estructura de niveles de un átomo concreto, la absorción prácticamente anula toda la emisión en una franja estrecha del espectro. También puede pasar lo contrario (franjas de emisión). De esta forma, podemos saber qué contienen las estrellas desde la distancia. En sólidos, como en vez de niveles tenemos bandas, es posible que absorban regiones más anchas del espectro.

Si, pero eso no es una cualidad de la emisión de la estrella, sino que es un fenomeno que resulta por la absorcion de la atmosfera (luego de ser emitido).

Pero vamos, en líneas generales se cumplen más o menos los mismos principios que el cuerpo negro. Por eso se puede usar la radiación térmica para saber la temperatura con bastante precisión (las famosas cámaras térmicas que ilustran cada temperatura con un color).

Yo lo que tenia entendido (y pido por favor que alguien me instruya de no ser asi) es que cada cuerpo emite lo que absorbe (ya que el electron tiende a volver a posicionarse donde estaba antes de recibir la energia), por lo que si parte de la radiacion es reflejada, entonces esa radiacion (al no ser absorbido por el cuerpo) tampoco sera emitida. Y esto no pasa por el entorno del cuerpo, sino por como emite el cuerpo en sí.

Saludos

[pod]

Re: Calor y radiación electromagnética

Si, pero eso no es una cualidad de la emisión de la estrella, sino que es un fenomeno que resulta por la absorcion de la atmosfera (luego de ser emitido).

No, la atmósfera no tiene nada que ver. Si tuviera que ver con la atmósfera, todas las estrellas tendrían el mismo espectro de absorción/emisión. Además, hoy en día muchas de estas observaciones se hacen en satélite, fuera de la atmósfera.

Yo lo que tenia entendido (y pido por favor que alguien me instruya de no ser asi) es que cada cuerpo emite lo que absorbe (ya que el electron tiende a volver a posicionarse donde estaba antes de recibir la energia), por lo que si parte de la radiacion es reflejada, entonces esa radiacion (al no ser absorbido por el cuerpo) tampoco sera emitida. Y esto no pasa por el entorno del cuerpo, sino por como emite el cuerpo en sí.

Saludos

No, la radiación térmica no tiene nada que ver con eso. La radiación térmica se da incluso en la ausencia de cualquier otra fuente de luz. Su origen no es la absorción de luz que provoque la excitación del electrón. Son las colisiones entre los átomos las que provocan que se excite el átomo y se relaje emitiendo luz. Por eso, a mayor temperatura (= más movilidad de las partículas), mayor emisión térmica.

[ser humano]

Re: Calor y radiación electromagnética

No, la atmósfera no tiene nada que ver. Si tuviera que ver con la atmósfera, todas las estrellas tendrían el mismo espectro de absorción/emisión. Además, hoy en día muchas de estas observaciones se hacen en satélite, fuera de la atmósfera.

La atmosfera de la estrella, no la de la tierra . Justamente uno de los metodos para determinar la temperatura es ver las lineas o bandas de absorcion que tiene el espectro del astro. De esa manera, se sabe que composicion tiene su atmosfera, con lo que se puede saber la temperatura superficial que tiene (la cual es la que permite la estabilidad de los atomos que se encuentran)

No, la radiación térmica no tiene nada que ver con eso. La radiación térmica se da incluso en la ausencia de cualquier otra fuente de luz. Su origen no es la absorción de luz que provoque la excitación del electrón. Son las colisiones entre los átomos las que provocan que se excite el átomo y se relaje emitiendo luz. Por eso, a mayor temperatura (= más movilidad de las partículas), mayor emisión térmica.

. Comprendo. Entonces la radiacion termica es muy semejante a la radiacion que emitiria un cuerpo negro por la radiacion que absorbe ¿?

[pod]

Re: Calor y radiación electromagnética

La atmosfera de la estrella, no la de la tierra . Justamente uno de los metodos para determinar la temperatura es ver las lineas o bandas de absorcion que tiene el espectro del astro. De esa manera, se sabe que composicion tiene su atmosfera, con lo que se puede saber la temperatura superficial que tiene (la cual es la que permite la estabilidad de los atomos que se encuentran)

La temperatura se sabe por la forma de la curva principal, ignorando las franjas de absorción o emisión, y comparándola con la distribución de Planck.

La luz de las estrellas proviene siempre de la última capa de la estrella, si a eso le quieres llamar atmósfera pues vale. ¿Y qué? Eso es lo mismo en cualquier otro cuerpo. Si en una forja pones al rojo vivo, la luz térmica que emite también proviene de su superficie, obviamente. Pero eso no significa que tenga que ser directamente desde la última capa de átomos, así que siempre es posible que haya ciertas franjas de absorción dependiendo de la estructura de bandas.

. Comprendo. Entonces la radiacion termica es muy semejante a la radiacion que emitiria un cuerpo negro por la radiacion que absorbe ¿?

La radiación del cuerpo negro es la radiación térmica. Son dos formas de decir lo mismo. La única diferencia entre un cuerpo negro y uno normal es que del negro no parte ningún otro tipo de luz.

De nuevo, los cuerpos negro emiten su radiación debido a su temperatura, no a absorber nada. Un cuerpo negro en el vacío también emite su radiación térmica/de cuerpo negro.

[ser humano]

Re: Calor y radiación electromagnética

La temperatura se sabe por la forma de la curva principal, ignorando las franjas de absorción o emisión, y comparándola con la distribución de Planck.

Esa es otra de las formas de saber la temperatura, a traves de los indices de color. La atmosfera de la estrella es materia que esta por "fuera" de la superficie de la misma. Por ejemplo, una estrella que presenta bandas de absorcion, revela presencia de moleculas, por lo que se puede poner cotas en su temperatura (la cota superior es la tempreratura en que esas moleculas se desarmarian, y la inferior la tempreatura en que se empezarian a enlazar moleculas mas grandes).

La luz de las estrellas proviene siempre de la última capa de la estrella, si a eso le quieres llamar atmósfera pues vale. ¿Y qué? Eso es lo mismo en cualquier otro cuerpo.

No, me refiero con atmosfera de la estrella a la materia "gaseosa" que esta por fuera de la superficie de la estrella.

Si en una forja pones al rojo vivo, la luz térmica que emite también proviene de su superficie, obviamente. Pero eso no significa que tenga que ser directamente desde la última capa de átomos, así que siempre es posible que haya ciertas franjas de absorción dependiendo de la estructura de bandas.

Pero el atomo de la superficie que absorbe el foton emitido por otro del interior, ¿no emite un foton de la misma energia cuando el electron vuelve al estado que tenia antes de recibir esa energia?

La radiación del cuerpo negro es la radiación térmica. Son dos formas de decir lo mismo. La única diferencia entre un cuerpo negro y uno normal es que del negro no parte ningún otro tipo de luz.

No entiendo muy bien a que te referis con que "no parte ningun otro tipo de luz" . ¿No se veria negro por no reflejar luz?.

De nuevo, los cuerpos negro emiten su radiación debido a su temperatura, no a absorber nada. Un cuerpo negro en el vacío también emite su radiación térmica/de cuerpo negro.

Entonces ¿que es lo que hace distintivo a un cuerpo negro del resto de los cuerpos?

Saludos

[pod]

Re: Calor y radiación electromagnética

Esa es otra de las formas de saber la temperatura, a traves de los indices de color. La atmosfera de la estrella es materia que esta por "fuera" de la superficie de la misma. Por ejemplo, una estrella que presenta bandas de absorcion, revela presencia de moleculas, por lo que se puede poner cotas en su temperatura (la cota superior es la tempreratura en que esas moleculas se desarmarian, y la inferior la tempreatura en que se empezarian a enlazar moleculas mas grandes).

Si tienes acceso al espectro como para ver las franjas de absorción, automáticamente sabes la temperatura efectiva. Solo hay que mirarse un poco la ley de Wien. Pero bueno, si te conformas poniendo cotas, allá tú

Yo diría que eso que comentas es más útil para hablar de objetos que no emiten su propia luz (medio interestelar, planetas, etc.). Pero bueno, si a ti en tus estudios te han explicado que lo hacen así, tendrán razón.

No, me refiero con atmosfera de la estrella a la materia "gaseosa" que esta por fuera de la superficie de la estrella.

Que ganas de discutir por chorradas. La atmósfera es la última capa de la estrella.

Parece que estés diciendo que no forma parte de ella. ¿Entonces de qué forma parte? ¿De Mercurio (en el caso del sol)? ¿Del medio interestelar? ¿Mi piel forma parte de mi cuerpo? ¿Y mi pelo?

Pero el atomo de la superficie que absorbe el foton emitido por otro del interior, ¿no emite un foton de la misma energia cuando el electron vuelve al estado que tenia antes de recibir esa energia?

Un átomo aislado, sí. Pero uno en un sólido tiene otras formas de perder energía, dependiendo de la estructura de bandas. Por eso hay sólidos con apariencias muy diferentes, la casuística es enorme.

No entiendo muy bien a que te referis con que "no parte ningun otro tipo de luz" . ¿No se veria negro por no reflejar luz?.

Entonces ¿que es lo que hace distintivo a un cuerpo negro del resto de los cuerpos?

Saludos

Yo diría que ya se ha dicho varias veces. Un cuerpo negro es como cualquier otro. Simplemente, no refleja ninguna luz. Por eso, la única radiación que emite es la térmica.

A temperatura ambiente, la distribución de Planck a penas da luz visible. Por eso, además de llamarse negros, los cuerpos negros se ven negros.

[ser humano]

Re: Calor y radiación electromagnética

Si tienes acceso al espectro como para ver las franjas de absorción, automáticamente sabes la temperatura efectiva. Solo hay que mirarse un poco la ley de Wien. Pero bueno, si te conformas poniendo cotas, allá tú

Yo diría que eso que comentas es más útil para hablar de objetos que no emiten su propia luz (medio interestelar, planetas, etc.). Pero bueno, si a ti en tus estudios te han explicado que lo hacen así, tendrán razón.

Si, debe ser. La verdad que no tengo mucha idea, hasta ahora aca solo repito lo que me dijeron, lejos estoy de poder fundamentar lo dicho (la materia de astronomia que tuve se limitaba a eso, a enunciar en terminos generales un poco de lo que se conoce).

Que ganas de discutir por chorradas. La atmósfera es la última capa de la estrella.

Yo no discuto pod, simplemente te planteo lo que me parece y te pregunto asi haces lo mismo. Como quieras que se llame (o como sea que lo llamen), pero no emite cantidades significativas de radiacion (con respecto a "capas" mas interiores).

Parece que estés diciendo que no forma parte de ella. ¿Entonces de qué forma parte? ¿De Mercurio (en el caso del sol)? ¿Del medio interestelar? ¿Mi piel forma parte de mi cuerpo? ¿Y mi pelo?

Depende de como se defina "estrella" . Solo pretendia hacer enfasis en que la cantidad de radicion en cantidades significativas que emite la estrella está por "debajo" de esta capa.

Un átomo aislado, sí. Pero uno en un sólido tiene otras formas de perder energía, dependiendo de la estructura de bandas. Por eso hay sólidos con apariencias muy diferentes, la casuística es enorme.

Interesante

Yo diría que ya se ha dicho varias veces. Un cuerpo negro es como cualquier otro. Simplemente, no refleja ninguna luz.

Hasta aca mas que claro está. Era lo que tenia entendido

Por eso, la única radiación que emite es la térmica.

Aca me surgen dudas . El cuerpo negro seria un ente que emite radiacion como consecuencia únicamente de su temperatura. El resto de cuerpos, emiten como causa de su temperatura y tambien como consecuencia de que los electrones vuelvan a su estado de energia original. Entonces para cualquier cuerpo valdria las ecuaciones de un cuerpo negro para describir la radiacion que emite como consecuencia unicamente de su temperatura. Es asi?

[pod]

Re: Calor y radiación electromagnética

Yo no discuto pod, simplemente te planteo lo que me parece y te pregunto asi haces lo mismo. Como quieras que se llame (o como sea que lo llamen), pero no emite cantidades significativas de radiacion (con respecto a "capas" mas interiores).

La luz que nos llega de una estrella procede de la "atmósfera", concretamente de la fotoesfera.

A lo mejor lo que quieres decir es que la energía procede de las capas internas de la estrella, donde se producen las reacciones termonucleares. Por supuesto que es así, pero debido a las grandes densidades, la energía no puede salir directamente. Es absorvida muy pronto. De hecho, si no recuerdo mal, se calcula que la energía tarda aproximadamente un año en salir del sol. Por lo tanto, el único efecto de la energía termonuclear generada es calentar las capas externas un poco, creando un gradiente de temperaturas. Y esto es así hasta que se llega a una capa que finalmente está lo suficientemente diluida para ser "transparente", la fotoesfera. Y debido a la enorme temperatura que ha alcanzado, la radiación emitida es térmica, con la excepción de las franjas de absorción/emisión, etc, etc...

Que tampoco te confundan lo que se conocen como zonas de dominio de la radiación (en contraposición de zonas de convección). Eso no quiere decir que la radiación salga de la estrella desde allí, significa que el transporte de calor es mayormente por radiación.

Entonces para cualquier cuerpo valdria las ecuaciones de un cuerpo negro para describir la radiacion que emite como consecuencia unicamente de su temperatura. Es asi?

Eso ya lo habías preguntado, mensaje 18.

No te olvides que el cuerpo negro es una idealización. No existen en la naturaleza. De hecho, la forma más sencilla de imitarlos (y de hacer el cálculo) es con una cavidad de boca estrecha, donde la radiación no puede salir simplemente porque la salida es más pequeña que el interior; no tiene nada que ver con la estructura microscópica.

En la realidad, ningún cuerpo será perfectamente negro, y el espectro nunca será exactamente el de Planck.