13. radiacion termica

UNIVERSIDAD MANUELA BELTRÁN

MACROPROCESO DE RECURSOS E INFRAESTRUCTURA ACADÉMICA

FORMATO PARA PRÁCTICAS DE LABORATORIO

Fecha: Enero de 2012 Código: GRL-006 Versión: 4.0

INFORMACIÓN BÁSICA

NOMBRE DE LA PRÁCTICA: Radiación Térmica

PRACTICA: 13

ASIGNATURA: Física Electromagnética

TEMA DE LA PRÁCTICA: Ley de Stefan-Boltzmann

LABORATORIO A UTILIZAR: Laboratorio de Física C 302

CONTENIDO DE LA GUÍA

OBJETIVOS

Introducir experimentalmente el concepto de radiación térmica.

Comprobar la Ley de Stefan-Boltzmann para altas temperaturas.

INTRODUCCIÓN

Esta guía de laboratorio va dirigida a estudiantes de Ingenierías, en la cual estudiaremos el concepto de radiación térmica que es la radiación emitida por un sólido, un líquido o un gas en virtud de su temperatura. La distribución de energía entre las distintas longitudes de onda es tal que, a temperaturas inferiores a unos 500 ºC, la mayor parte de la energía corresponde a las ondas infrarrojas, mientras que a temperaturas más altas, se emite algo de radiación visible. En general, nuestro propósito será la de verificar de forma experimental si un bombillo con filamento de carbón (Lámpara de Stefan-Boltzmann) tiene un comportamiento igual al de un cuerpo negro, este estudio estará soportado bajo la ley de Stefan-Boltzmann.

MARCO TEÓRICO

RADIACIÓN TÉRMICA

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 (la longitud de onda de la radiación térmica o infrarroja se encuentra entre un rango de 10

-3 hasta 7 x 10

-7 metros). La fuente de la radiación térmica son los

cuerpos calientes debido a oscilaciones de las moléculas que los conforman. La energía asociada a la radiación térmica se puede medir utilizando sensores tales como 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.

La física que se conocía hasta el año 1900 había logrado explicar ciertos aspectos relacionados con la radiación térmica. En 1879 Josef Stefan había observado que la intensidad de la radiación es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. Años más tarde Ludwig Boltzmann puso esta observación sobre una sólida base teórica y hoy se conoce como la Ley de Stefan-Boltzmann la cual establece que:

4ATP (1)

ó 4TI (2)

Donde

P : Es la potencia de radiación térmica emitida por un objeto a una temperatura T.

I : Es la intensidad de radiación térmica emitida por un objeto a una temperatura T. (Recuérdese que la intensidad es la potencia emitida por unidad de área) : Es la constante de Stefan-Boltzmann y es igual a 5, 669 x 10

-8 W m

-2 K

-4.

T: Es la temperatura del objeto en consideración medida en kelvin.





A: Es el área del cuerpo radiante. Los trabajos de Stefan, Boltzmann y Wien, entre otros, sirvieron como base para que Lord Raileigh y James Jeans, llegaran a una fórmula desarrollada en términos de la física clásica para la radiación de cuerpo negro, la cual estuvo de acuerdo con los resultados experimentales sólo parcialmente. La discrepancia fue resuelta poco tiempo después por Max Planck en términos de una nueva concepción de la energía asociada al campo electromagnético, lo que dio origen a la física cuántica.

LAMPARA DE STEFAN-BOLTZMANN Y DETECTOR DE RADIACION

La lámpara de Stefan-Boltzmann (Figura 1.B), consiste en una fuente de radiación térmica a altas temperaturas. La lámpara puede ser utilizada para investigaciones a altas temperaturas de la ley de Stefan-Boltzmann. Cuando está apropiadamente orientado, el filamento también provee una buena aproximación a una fuente puntual de radiación térmica.

Figura 1. (A.) Sensor de radiación, (B.) Lámpara de Stefan-Boltzmann (Guías De Pasco).

La temperatura del detector ( DetectorT ) será muy cercana a la temperatura ambiente ( rmT ) si en el intervalo de

las medidas se cubre el sensor de radiación térmica por ejemplo con un espejo, con su parte de reflexión mirando hacia la lámpara (ver figura 1). En este experimento se utiliza un sensor de radiación (Figura 1.A.) que consiste en una pequeña termopila la cual produce una diferencia de potencial que es proporcional a la intensidad de la radiación (esto es importante ya que en la práctica no se medirá ni intensidad ni potencia emitida). La respuesta espectral de la termopila es esencialmente plana en la región infrarroja y el rango de voltajes producidos van desde el orden de los micro-voltios hasta el orden de los 100 mili-voltios. Es necesario utilizar un voltímetro con una buena resolución para realizar las mediciones.

ACTIVIDAD PREVIA (Incluir en el pre-informe) La siguiente actividad tiene como objetivo, realizar un análisis preliminar a la ley de Stefan-Boltzmann, para altas temperaturas en el filamento de una lámpara.

Ingrese a la siguiente dirección:

http://www.youtube.com/watch?v=jl3_n38sFxo&feature=related

Interactúe con el video y compleméntelo con lecturas de los textos guía.

Cada integrante del grupo en forma individual y auténtica debe realizar un cuadro sinóptico o mapa conceptual del tema tratado con una extensión mínima de una hoja por ambas caras.

METODOLOGÍA A UTILIZAR

Cada grupo de trabajo (máximo de cuatro estudiantes) redactará el pre-informe que incluye: actividad

http://www.youtube.com/watch?v=jl3_n38sFxo&feature=related





previa, consulta de las aplicaciones, consulta del marco teórico y el cuestionario de la guía; antes del ingreso a la respectiva clase.

Clase magistral introductoria relacionada con el tema propuesto en la guía.

Desarrollo de la guía de aprendizaje por parte de los estudiantes.

En el momento de resolver el procedimiento el grupo de estudiantes realizará las medidas y los cálculos respectivos en cada montaje y por último terminará de redactar el informe de laboratorio de acuerdo con las indicaciones del docente.

El informe será entregado en forma grupal, a mano y en el formato correspondiente.

MATERIALES Y EQUIPOS A UTILIZAR

Materiales y Equipos Materiales Estudiante

1 Multímetro 1 Fuente de Voltaje AC/DC.

2 Cables de conexión (Rojo y Negro banana caimán)

1 Regla.

1 Sensor de radiación PASCO TD-8553

1 TD-8555 Lámpara de Stefan-Boltzman.

PRECAUCIONES Y MANEJO DE MATERIALES

El estudiante deberá repasar los conceptos antes mencionados, se les hará entrega de los elementos, verifique el estado de los mismos en el momento en que se le entreguen.

No colocar en corto los cables de salida de la fuente ya se puede dañar el equipo y la corriente generada puede ocasionar daños de consideración al cuerpo.

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 alteraría la lectura.

El voltaje en la lámpara de Stefan-Boltzmann no puede exceder los trece voltios.

No dejar caer los elementos utilizados para el experimento ya que son bastante frágiles.

PROCEDIMIENTO

LAMPARA DE STEFAN-BOLTZMANN

1. Antes de realizar la conexión del montaje, mida la resistencia propia del filamento de tungsteno

( fRRe ) a temperatura ambiente con el ohmímetro en los puertos de la lámpara.

2. Monte el equipo como se indica en la Figura 2. La fuente debe estar conectada directamente a la

lámpara. El sensor debe estar a la misma altura del filamento, con la cara frontal del sensor aproximadamente a 5 cm del filamento. El ángulo de entrada a la termopila no debe incluir otros objetos cercanos diferentes a la lámpara.

Figura 2. Montaje de la lámpara de Stefan-Boltzmann (Guías De Pasco)





3. Encienda la fuente y varíe el voltaje en un intervalo de 0.5 voltios hasta llegar a 12 voltios. Escriba en

la tabla 1 para cada variación, el voltaje leído en el voltímetro, el valor de la corriente I leída en el amperímetro, y el valor de la radiación leído en e l mili-voltímetro.

4. Calcule TR , la resistencia del filamento a cada uno de los voltajes usados (RT = V/I) y divida TR por

fRRe , para obtener la resistencia relativa Re/T fR R R . Escriba sus resultados en la Tabla 1.

5. Utilizando los valores de la Tabla 2 o la ecuación 0.8287295,45T R , determinar la temperatura a

determinada resistividad relativa del filamento (R), luego calcule la cuarta potencia de la temperatura (T

4). Escriba los resultados en la Tabla 1.

6. Construya una gráfica de radiación I (voltaje del sensor) en función de 4T y del Ln Rad. en función

del Ln T. Escriba la ecuación en el gráfico y explique el significado de la pendiente.

Tabla 2. Temperatura y resistividad para el tungsteno (Guías de Pasco)

NOTA: En caso de ser requerido, todos los valores obtenidos deben ser consignados en las tablas,

y los cálculos realizados en el ítem de resultados que aparece en el formato del informe de

laboratorio.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA PASCO. Guías de laboratorio. 1996. FEYMAN, Richard. Física v1. Editorial Addison Weslley. México, 1998. SEARS, Francis y ZEMANSKY, Mark. Física Universitaria. v1. Pearson Educación, 1999. SERWAY, Raymond. Física. v1. Editorial Mac GrawHill, México, 2001.

ELABORÓ REVISÓ APROBÓ

Firma Nombre : Profesores de Laboratorio de Física Fecha:

Firma Nombre : Profesores de física del departamento de Ciencias Básicas Fecha:

Firma Nombre : Gerencia de Laboratorios. Departamento de Ciencias Básicas. Fecha:





INFORME DE LABORATORIO

ESTUDIANTES:

GRUPO:

NOTA:

CARRERA:

Formule tres objetivos que desee cumplir con la Práctica de Laboratorio

Elabore un Mapa conceptual del tema a tratar en la Práctica de Laboratorio. (Actividad Previa)

RESULTADOS

Tabla 1. Datos y resultados experimentales.

V (Voltios)

I (Amperios)

Radiación (miliVoltios)

RT (Ohmios)

R (Ohmios)

Temperatura (K)

Temperatura4

(K4)

Ln Rad. (mV)

Ln T (K)





Análisis de Resultados:______________________________________________________

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CUESTIONARIO

1. Cuál es la relación entre la radiación I y 4T ?, ¿Se verifica la ley de Stefan Boltzmann para altas

temperaturas?

2. La ley de Stefan-Boltzmann es perfectamente cierta únicamente para la radiación de un cuerpo negro ideal. ¿Es el filamento de la lámpara un verdadero cuerpo negro? Explique.





3. Al graficar los logaritmos, ¿se verifica la variación de la radiación con la cuarta potencia de la temperatura?, calcule el porcentaje de error entre el valor teórico de la potencia y el valor experimental obtenido de la pendiente de la gráfica.

4. Diferentes objetos a la misma temperatura, ¿emiten diferentes cantidades de radiación? Explique.

5. De algunos ejemplos de materiales que bloqueen la radiación térmica, ¿su ropa bloquea la radiación térmica emitida por un cuerpo? Explique.

CAUSAS DE ERROR Y ACCIONES PARA OBTENER MEJORES RESULTADOS:





CONCLUSIONES

APLICACIÓN PROFESIONAL DE LA PRÁCTICA REALIZADA

BIBLIOGRAFÍA UTILIZADA

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