Infravermelho: Leis do aquecimento

As leis fundamentais do aquecimento por infravermelho

À medida que o aquecimento por infravermelho evoluiu, também evoluíram as ciências fundamentais que sustentam o funcionamento de sua transferência de calor, mas três leis principais se aplicam:

• Lei de Stefan-Boltzmann: Dá a potência total irradiada a uma temperatura específica de uma fonte de infravermelho.
• Lei de Planck: Dá a distribuição espectral da radiação de uma fonte de corpo negro - uma que emite% de radiação 100 a uma temperatura específica.
• Lei de Viena: Seguindo a Lei de Planck, isso prevê o comprimento de onda no qual a distribuição espectral da radiação emitida por um corpo negro está no ponto máximo.

Lei Steffan-Boltzmann

A Lei Steffan-Boltzmann se refere principalmente à emissividade infravermelha. Calculando a radiação de energia de uma fonte de infravermelho com base na temperatura da área de superfície do objeto e junto com um fator de corpo negro. Um corpo preto perfeito tem um fator de 1 - com outros materiais variando nesse fator (veja a tabela abaixo). Quando permitimos a emissividade de materiais normais, a Lei de Stefan-Boltzmann se torna:

Dentro da definição da lei da radiação térmica de Kirchhoff, para qualquer organismo arbitrário que emita e absorva radiação térmica, a emissividade é igual à sua absorção. Isso significa que a emissividade é útil para determinar quanto uma superfície absorverá e emitirá.

Tabela de emissividade de várias superfícies

Alumínio polido 0.09	Latão polido 0.03	0.10 polido em bronze
Carbono (fuligem de vela) 0.95	Cerâmica (porcelana vitrificada) 0.92	0.10 polido com cromo
Concreto 0.85	Cobre polido 0.02	0.65 oxidado com cobre
Quartzo fundido em vidro 0.75	Ferro lustrado 0.21	Ferro enferrujado 0.65
Plástico opaco 0.95	0.05 polido a prata	Aço inoxidável polido 0.16
0.83 oxidado em aço inoxidável	Água 0.96

Usar esta lei significa que agora podemos calcular a transferência líquida de calor entre duas superfícies emissoras em T1 e T2. Como ambos estão emitindo, a transferência de energia líquida será a diferença entre as duas saídas de energia emitida.

Lei de Planck

A Lei de Planck descreve a radiação eletromagnética emitida por um corpo negro em equilíbrio térmico a uma temperatura definida. Recebeu o nome de Max Planck, um físico alemão que o propôs em 1900.

Quando plotada para várias temperaturas de aquecedor (emissor), a lei de Planck prevê:

1. A faixa de frequências através da qual a energia de aquecimento infravermelho será produzida
2. A potência emissiva para um determinado comprimento de onda

Consulte 'Notas explicativas sobre a Lei de Planck' abaixo.

Lei de deslocamento de Viena

A Lei de Wien é um seguimento da Lei de Planck e prevê o comprimento de onda em que a distribuição espectral da radiação emitida por um corpo negro está no ponto máximo.

Um corpo negro perfeito é uma superfície que não reflete nada e emite pura radiação térmica. O gráfico de potência versus comprimento de onda para um corpo negro perfeito é chamado espectro do corpo negro (veja o diagrama abaixo). Observe a linha vermelha pontilhada formada quando conectamos os pontos máximos de cada curva de temperatura na distribuição de Planck e os conectamos.

À medida que a temperatura aumenta, a radiação térmica produz um comprimento de onda menor, maior energia. No gráfico abaixo, podemos ver como uma lâmpada produz uma certa quantidade de energia com apenas uma pequena parte no espectro visível. À medida que a temperatura aumenta e o comprimento de onda do pico se torna menor, maior a quantidade de energia irradiada.

O gráfico também mostra que uma rocha em temperatura ambiente não 'brilha', pois a curva para 20 ° C não se estende ao espectro visível. À medida que os objetos esquentam, eles começam a emitir luz visível ou brilho. No 600 ° C, os objetos brilham em um vermelho opaco. No 1,000 ° C, a cor é amarelo-laranja, passando a branco a 1,500 ° C.

Duas outras leis científicas informam a aplicação prática do calor radiante infravermelho - o Lei do inverso quadrado e Lei Cosseno de Lambert.

Lei do inverso quadrado

A Lei do Quadrado Inverso define a relação da energia radiante entre uma fonte de infravermelho e seu objeto - que a intensidade por unidade de área varia na proporção inversa ao quadrado dessa distância. No entanto, na prática, a Lei do Quadrado Inverso é menos eficaz quando se trata de grandes superfícies paralelas, como placas aquecidas e sistemas de forno.

Lei Cosseno de Lambert

A Lei do Cosseno de Lambert permite o cálculo da intensidade do infravermelho quando a radiação não é aplicada diretamente ao corpo-alvo, mas é definida em um ângulo. Esta lei se aplica principalmente a pequenas fontes que irradiam por uma distância relativamente grande.

Os emissores de infravermelho usados ​​no aquecimento industrial geralmente têm um comprimento de onda de emissão utilizável de pico na faixa de 0.75 a 10 μm. Dentro deste intervalo, existem três subdivisões que são ondas longa, média e curta.

Os emissores de ondas longas, também conhecidos como infravermelho distante (FIR), têm um pico de emissão no intervalo 3-10 μm. Essa faixa geralmente se refere a elementos cerâmicos que consistem em uma bobina de liga de resistência a altas temperaturas embutida em um corpo cerâmico altamente emissivo, sólido ou oco, construído. Os emissores de cerâmica são fabricados em vários tamanhos padrão do setor, com superfícies emissoras planas ou curvas (estilo de canal).

Comprimentos de onda de emissão de pico mais curtos são alcançados usando fontes de emissão com temperaturas de superfície mais altas. Os emissores do tipo cassete de quartzo estão disponíveis em tamanhos padrão da indústria semelhantes aos da cerâmica e consistem em uma série de tubos de quartzo translúcido incorporados a uma carcaça de aço polido aluminizado. Esses emissores podem operar com temperatura da superfície frontal mais alta e emitem na faixa de ondas longas a médias.

Na extremidade mais curta da faixa de ondas médias está o emissor de quartzo de tungstênio, que consiste em um tubo linear de quartzo transparente vedado, contendo uma bobina de tungstênio em estrela. A bobina de tungstênio fornece um tempo de resposta rápido com baixa inércia térmica.

A faixa de halogênio de quartzo de onda curta é de construção semelhante à do emissor de tungstênio de onda média rápida, com a exceção de que uma bobina redonda de tungstênio é empregada e os tubos de quartzo são preenchidos com gás halogênio. A temperatura mais alta da bobina resulta na geração de luz branca e um pico de comprimento de onda de emissão na faixa de ondas curtas.

Notas explicativas sobre a lei de Planck

A Lei de Planck nos diz que, à medida que a temperatura de qualquer superfície emissora aumenta, mais e mais energia será liberada como energia infravermelha. Quanto maior a temperatura do objeto, maior será a quantidade de energia infravermelha produzida. Além de se tornarem mais intensas (potência), as frequências emitidas se tornam mais amplas e o comprimento de onda de pico se torna mais curto.

Em temperaturas muito altas, não apenas no infravermelho, também será produzida uma luz visível com menor comprimento de onda. Isso é testemunhado pela primeira vez como um brilho vermelho fosco, depois para laranja, amarelo e, finalmente, branco. A Figura 1 (abaixo) mostra as curvas típicas da lei de Planck para uma faixa de temperaturas plotadas de 1050 ° C a 50 ° C.

A curva rosa correspondente a 1050 ° C exibe a saída mais forte. Ele mostra a maior potência e seu pico é de cerca de mícron 2.5. Isto é seguido pela curva em 850 ° C, onde o pico de energia é menos da metade da produção produzida em 1150 ° C.

À medida que a temperatura diminui, os níveis de energia também caem e o comprimento de onda do pico de energia muda para comprimentos de onda maiores. As temperaturas mais baixas das curvas 250 ° C, 100 ° C e 50 ° C não podem ser vistas no gráfico, mas quando o gráfico é ampliado para ver as curvas de temperatura mais baixa, essa mudança para comprimentos de onda mais longos é mais aparente. No entanto, a intensidade da energia cai significativamente.

Isso é mostrado na Figura 2 (abaixo). Em 250 ° C, a curva azul pode ter um pico aproximado de ~ 6 mícrons, enquanto que em 100 ° C o pico de comprimento de onda é de ~ 7.5 mícrons. Observe também que a extensão do comprimento de onda é distribuída de maneira mais uniforme e não exibe o pico estreito concentrado observado em temperaturas mais altas.

Se ampliarmos o mesmo gráfico novamente e focarmos apenas nas temperaturas mais baixas, como mostrado na Figura 3 (abaixo), veremos que as temperaturas de 50 ° C e 25 ° C têm comprimentos de onda de pico de ~ 9 e 10 mícron, respectivamente.

Aplicando esta informação

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