Relatório Irradiação Térmica

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE 
INSTITUTO DE FÍSICA 
 
 
 
 
 
JONATHAN PEREIRA 
MURILLO SILVEIRA 
PAOLA RANGEL 
PEDRO FEIJÓ 
 
 
 
 
 
 
INTRODUÇÃO À RADIAÇÃO TÉRMICA 
LABORATÓRIO 3 
 
 
 
 
 
 
 
Disciplina: Física Experimental IV 
Data de Entrega: 04/09/2018 
Turma AD 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
NITERÓI 
2018 
1 
Resumo 
 
Com o objetivo de estudar a transmissão e absorção de radiação térmica em meios 
diferentes, foi utilizado um cubo de Leslie com 4 faces distintas para agir como fonte de 
radiação a ser medida utilizando um sensor de radiação térmica. Para o estudo da emissão de 
radiação, foram tomadas as faces do cubo de Leslie como emissor e medido diretamente a 
radiação com o sensor térmico e comparado os valores para cada face (preta, branca, polida e 
áspera). Já para o estudo da transmissão de radiação, a face preta serviu de fonte e foram 
utilizados alguns materiais para comparar a radiação que passa por eles, a radiação 
transmitida, sendo esses materiais um tecido vermelho e outro azul, uma espuma de face 
branca e outra de face prateada, um plástico fosco e outro listrado e uma placa de vidro. Para 
o vidro também foram feitas medidas para a reflexão e transmissão para uma alta radiação 
incidente, no qual chegamos a um valor de 6,8% de reflexão e 51,2% de transmissão. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 
1. ​Introdução 
 
Existem três processos de propagação de calor: a condução, convecção e a radiação 
térmica. Tanto a condução como a convecção necessitam de um material necessário para a 
propagação de calor. Porém, a irradiação é de natureza eletromagnética, isto é, ela se propaga 
pelo espaço através de ondas compostas por um campo elétrico e magnético. Dessa forma, a 
radiação térmica pode ser definida como a radiação eletromagnética emitida por um corpo 
causada pela temperatura a qual se encontra. Todos os objetos com uma temperatura superior 
a T=0K emitem energia sob a forma de radiação térmica. Para a caracterização deste 
acontecimento, se faz necessário obter informações relacionadas a tal fenômeno no que diz 
respeito à frequência, proporção e se há alguma lei que visa a relação entre ambas as 
grandezas. 
Para exemplificar, sabe-se que o corpo humano emite calor e geralmente se encontra a 
36,85 ​°C (310 K). No entanto é impossível enxergar um corpo humano em uma sala escura, o 
que indica que a radiação emitida tem comprimentos de onda distintos e incapazes de serem 
detectados pela visão humana. Já, uma barra de ferro aquecida a uma dada temperatura, 
torna-se incandescente, isto significa que os comprimentos de onda passaram a se deslocar 
para uma faixa visível. Isto ocorre pois, a​s ondas se propagam à velocidade da luz e, com 
exceção da luz visível, são todas invisíveis a olho nu. Cada uma das ondas oferecem a 
sensação de uma cor, a qual cada cor, está associada a diferentes frequências. Dessa forma, as 
ondas mais longas localizam-se mais próximo do vermelho e as ondas mais curtas mais 
próximas do azul. Portanto, quanto mais baixa a frequência da onda, mais longo é seu 
comprimento e por sua vez, as ondas que tem a frequência mais alta, são as mais curtas. 
A emissividade de um material está correlacionada com a capacidade de absorção da 
superfície. Um material que absorve toda radiação incidente independente do comprimento 
de onda é denominado “corpo negro”. Para uma dada temperatura e comprimento de onda, 
nenhuma superfície pode emitir mais energia do que um corpo negro. 
Deste modo, para que fosse possível compreender a emissão e a transmissão de calor 
entre meios distintos e observar a variação das resistências em diferentes temperaturas, foi 
realizado um experimento, cujo objetivo foi: reproduzir as diferentes metodologias 
desenvolvidas para entender o comportamento da radiação térmica em superfícies irradiantes 
através do Cubo de Leslie, comparar a emissividade e a absorção de radiação térmica de 
materiais distintos e analisar a relação entre a potência de radiação com a distância 
fonte-sensor. 
Assim, por meio dos resultados, foi verificado os materiais que são bons absorvedores 
de radiação e os bons emissores, bem como a diferença que um tratamento superficial faz 
nesse quesito. Foi interessante também para ressaltar a diferença entre absorção de luz visível 
e de infravermelho, fugindo um pouco do senso comum de ignorar que luz visível e radiação 
infravermelha têm a mesma natureza. 
 
 
 
3 
 
 
2.​ Procedimento Experimental e Resultados 
 
Como foi visto, um corpo negro, consiste em um corpo ideal que absorve e emite 
radiação térmica que nele incide. J. Stefan em 1884 deduziu a primeira relação entre 
temperatura e energia de radiação de um corpo negro, porém a explicação teórica foi admitida 
mais tarde por L. Boltzmann. Constantemente os corpos irradiam calor, perdendo energia e, 
corpos sem energia própria precisam, então, absorver energia para depois emiti-la. Assim, 
aquele que mais absorve é também o que mais pode emitir. Para corpos negros, a intensidade 
de energia radiada é proporcional à quarta potência de sua temperatura absoluta, como 
mostra a equação 1: 
I =ε.σ.T4(1) 
 
Essa equação representa a lei de Stefan-Boltzmann, na qual I é o potencial emissivo 
de um corpo negro para todos os comprimentos de onda, e σ é a constante de 
proporcionalidade determinada experimentalmente e conhecida como constante de 
Stefan-Boltzmann. Para um corpo negro a emissividade ε é igual a 1; então se pode 
reescrever a eq. (2) da seguinte forma: 
I = σ.T4 (2) 
 
A emissividade dos materiais é uma fração correspondente a do corpo negro quando 
nas mesmas condições, isso significa que seus valores podem variar de 0 a 1. Para que o 
potencial emissivo seja máximo a temperatura do corpo deve ser a mais alta possível, sendo 
que o valor de emissividade pode se alterar em função da temperatura. Isso pode ser 
verificado pelos resultados experimentais mostrados na tabela 1, que apresenta o 
comportamento da emissividade com o aumento da temperatura para superfície preta, branca, 
áspera e polida. 
Posteriormente, Max Planck assumiu que a energia carregada pela radiação térmica 
seria quantizada e mostrou que a energia das oscilações de onda é limitada para múltiplos 
inteiros da energia fundamental, proporcional a frequência de oscilação. Com essa hipótese, 
Planck solucionou a distribuição da radiação luminosa de um corpo negro e mostrou como 
ela varia com o comprimento de onda para uma dada temperatura, assim, um objeto aquecido 
emitiria uma intensidade de radiação infinita na região de comprimentos de onda pequenos. 
 
2.1. Metodologia 
 
Para a realização do experimento, foi utilizado um kit térmico da Pasco contendo: um 
sensor térmico, um kit com diversos materiais (placas de vidro e de espuma, plástico, tecido 
colorido), um multímetro (ohmímetro), um milivoltímetro e um Cubo de Leslie. O Cubo de 
deLeslie consiste em um cubo composto por quatro faces, cada uma com um aspecto 
distinto, sendo uma pintada de preta, outra de branca, outra recoberta com alumínio fosco e 
4 
áspero e uma quarta recoberta com alumínio polido. Tal distinção das superfícies tem como 
objetivo identificar as relações entre o tipo de cada face e a potência irradiada por elas. 
 
 
Figura 1 - Cubo de Leslie. 
 
Diversos procedimentos foram utilizados na coleta de dados do primeiro experimento. 
Primeiramente foram feitas as conexões entre os equipamentos utilizados no experimento, 
obtendo-se tanto um Ohmímetro em série com o cubo de Leslie, com o intuito de medir a 
variação de resistência do termistor interno, quanto um voltímetro em paralelo com o sensor 
de radiação a fim de medir a voltagem gerada em seus terminais. Em seguida, ligou-se o cubo 
e alterou-se a chave de potência para a posição mais intensa (“high”) até que a resistência 
medida pelo Ohmímetro variasse de 100kΩ (valor da resistência do termistor à temperatura 
ambiente) para 40kΩ. Após tal procedimento, alterou-se a chave de potência para a posição 
5,0 a fim de realizar a primeira parte do experimento. Dadas as condições, já que a 
temperatura não se mantém estável, aguardou-se até que a flutuação da resistência do 
termistor fosse menos instável. Diante destes aspectos, realizou-se a medição com o sensor 
em cada face do cubo no menor intervalo de tempo possível. Tal estratégia foi 
imprescindível, pois era inviável aguardar o equilíbrio térmico em uma medida fixa. Logo 
após, realizou-se o mesmo procedimento, porém com o cubo nas posições 6,5 e 8,0 de forma 
a obter tanto os dados necessários para o preenchimento das tabelas e a quantidade de 
radiação emitida por cada fase do cubo, quanto a temperatura do emissor a partir de uma 
tabela de referência. Foi obtido como resultados: 
 
Potência 5,0 Potência 6,5 Potência 8,0 
Termístor R = 24,3 kΩ Termístor R = 20 kΩ Termístor R = 6,8 kΩ 
Temperatura 58º C Temperatura 63º C Temperatura 94º C 
Superfície Sensor (mV) Superfície Sensor (mV) Superfície Sensor (mV) 
5 
Preta 4,800 ± 0,025 Preta 5,700 ± 0,029 Preta 12,200 ±0,062 
Branca 4,700 ± 0,024 Branca 5,600 ± 0,029 Branca 11,100 ±0,056 
Polida 0,300 ± 0,002 Polida 0,300 ± 0,002 Polida 0,700 ± 0,004 
Áspera 2,000 ± 0,011 Áspera 2,300 ± 0,012 Áspera 5,200 ± 0,027 
Tabela 1 - Emissão de Radiação Térmica. 
 
A partir dos valores da tabela 1, foi feito uma estimativa da emissividade ε das faces 
do cubo, considerando a face preta como emissor ideal. 
 
 
Preta ε= 1 Áspera ε = 0,420 ± 0,015 
Branca ε = 0,950 ± 0,044 Polida ε = 0,057 ± 0,005 
Tabela 2 - Emissividade ε das faces do cubo. 
 
A segunda parte do experimento consistiu em posicionar o sensor a 5 cm da face preta 
do cubo e dispor de objetos feitos por diferentes materiais entre eles para examinar a radiação 
que era transmitida, observando a diferença de tensão indicada no Voltímetro (com e sem 
objeto). Foi calculado a porcentagem de transmissão através dos valores incidentes e 
transmitidos. Os objetos utilizados para a consumação do procedimento foram: Tecido 
vermelho, tecido azul, espuma de face branca, espuma de face prateada, plástico fosco, 
plástico listrado e o vidro; obtendo assim, como resultados: 
 
Material Valor incidente 
(mV) 
Valor transmitido 
(mV) 
Transmissão 
(%) 
Tecido vermelho 12,8 ± 0,6 6,8 ± 0,5 53,1 
Tecido azul 13,4 ± 0,6 6,6 ± 0,5 49,2 
Espuma face branca 13,7 ± 0,6 0,0 ± 0,5 0 
Espuma face 
prateada 
13,7 ± 0,6 0,2 ± 0,5 1,4 
Plástico fosco 12,8 ± 0,6 6,3 ± 0,5 49,2 
Plástico listrado 12,8 ± 0,6 5,8 ± 0,5 45,3 
Vidro 12,7 ± 0,6 0,0 ± 0,5 0 
6 
Tabela 3 - Transmissão de Radiação Térmica. 
Além disso, foi feito também a medição da reflexão de uma placa de vidro. 
Primeiramente foi posicionado o sensor térmico a uma distância aproximada de 10 cm com 
objetivo de encontrar o valor incidente (Vo). Em seguida, posicionou-se o sensor 
ortogonalmente à superfície preta do cubo com o objetivo de captar a radiação térmica radial 
(V1) emitida pela superfície, a uma distância de aproximadamente 5 cm. Logo após, 
colocou-se a placa de vidro fazendo um ângulo de 45º com a face preta e com o sensor a fim 
de captar a radiação térmica total (incluindo tanto a radiação radial quanto a radiação refletida 
pelo vidro), obtendo assim o V2. Através da diferença entre o V2 e o V1 foi possível 
encontrar o valor refletido (V’), conforme apresentado: 
 
Material Valor incidente 
(mV) 
Valor refletido (mV) Reflexão (%) 
Vidro 8,8 ± 0,5 0,6 ± 0,5 6,8 
Tabela 4 - Reflexão de Radiação Térmica. 
 
Realizou-se, à parte, e de maneira análoga, a medição da transmissão de radiação com 
o sensor exposto diretamente à lâmpada do cubo, obtendo assim o valor incidente. 
Posteriormente, colocou-se a placa de vidro em contato direto com a lâmpada, e através do 
sensor encontrou-se o valor transmitido, como mostrado abaixo: 
 
Material Valor incidente 
(mV) 
Valor transmitido 
(mV) 
Transmissão 
(%) 
Vidro 12,7 ± 0,6 6,5 ± 0,5 51,2 
Tabela 5 - Transmissão de Radiação Térmica (exposição à lâmpada). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 
 
 
 
3. ​Discussão e Conclusões 
 
Na primeira parte do experimento, foi possível medir a emissividade das faces do cubo de 
Leslie. Os valores obtidos foram muito próximos do esperado, como por exemplo o valor 
encontrado para a face branca, que sabíamos que deveria ser próximo do valor para a face 
preta (ε=1), uma vez que tratava-se de películas de tinta sobre uma face de alumínio, elas não 
tiveram uma influência significante na emissão. Vê-se que as faces negra e branca têm uma 
emissão muito parecida e são as melhores emissoras, em seguida vem a face áspera e por fim, 
a polida. Deste modo, foi possível concluir que um corpo diferente de um corpo negro não 
absorve toda radiação incidente sobre ele, uma parcela da mesma seria absorvida/emitida, 
outra seria refletida e/ou uma terceira seria transmitida. Isto é, a emissividade do material 
também está relacionada com superfície em questão, bem como seu acabamento (polidez), e é 
influenciada pela temperatura em que está exposta. Na segunda parte do experimento, 
realizamos as medições com um “obstáculo”, que eram os materiais destinados à prática 
(Tecido vermelho, tecido azul, espuma de face branca, espuma de face prateada, plástico 
fosco, plástico listrado e o vidro). A primeira conclusão tirada foi a de que as medições com 
materiais de uma mesma composição, apresentam valores de transmissão muito próximos. 
Portanto, as duas faces da espuma, os dois plásticos e os tecidos são iguais dentro da mesma 
categoria de materiais. Em seguida, foi feita a medição da reflexão da placa de vidro. Nesse 
momento, ficou muito claro que é necessário considerar o valor da radiação radial, uma vez 
que seu valor é muito próximo do valor incidente. 
Pode-se com um tratamento superficial alterar a emissividade da superfície irradiante. Metais 
tem baixa emissividade térmica, irradiando pouco quando aquecidos e refletindo a radiaçãoincidente. Por isso superfícies metálicas polidas são bons espelhos. Logo, em uma situação 
hipotética, em que para diminuir a temperatura do ambiente interno fosse preciso fazer uso de 
algum revestimento, o ideal seria as superfícies metálicas polidas, já que não superaquecem e 
possuem baixa emissividade térmica. 
O vidro tem baixa emissividade na faixa do visível (deixa passar a radiação na faixa do 
visível), o espelhamento do vidro é uma forma de tratamento para o tornar não absorvente da 
luz, refletindo-a então. Entretanto o vidro tem alta emissividade na faixa do infravermelho 
que corresponde à radiação térmica em temperaturas da ordem da temperatura ambiente ou 
até mais elevadas, isto é, para este tipo de radiação infravermelha emite e absorve muito bem. 
Um exemplo desta aplicação é a estufa, que consiste em uma estrutura composta por 
materiais transparentes, permitindo assim a passagem da radiação solar que, 
consequentemente, aquece o solo da estufa, emitindo assim radiação infravermelha. Tal 
radiação provoca um aquecimento na massa de ar deslocando-a para os limites superiores da 
estufa e que são impedidas de se propagar para o ambiente externo devido ao revestimento 
8 
transparente da estufa, que impede a passagem da radiação infravermelha. Tal afirmação 
pode ser explicitada através do experimento relacionado a tabela 3, onde observou-se que o 
vidro, quando posicionado entre uma fonte de radiação térmica e um sensor, não transmite a 
radiação infravermelha, apenas a visível. 
 
Apêndice 
 
Transmissão = Valor Transmitido/Valor Incidente 
 
 
9