Conceitos de Radiação Infravermelha

Radiação Infravermelha

Em 1800 William Herschel, um físico alemão com cidadania inglesa, fez uma descoberta importante. Ele havia notou que filtros de diferentes cores deixavam passar quantidade diferentes de calor em suas observações da luz solar, e desejava calcular essa quantidade de calor.

Herschel pensava que as cores deveriam ter diferentes temperaturas. Em seu experimento ele direcionou luz solar através de um prisma de vidro com a intenção de criar um espectro e então mediu a temperatura de cada uma das cores

Herschel usou três termômetros com bulbos pretos (para melhor absorver o calor) e, para cada cor do espectro, posicionou um bulbo em uma cor visível enquanto os outros dois foram posicionados fora do espectro para controle.

Conforme ele media a temperatura individual das cores do violeta ao vermelho, ele percebeu que todas as cores tinham temperaturas mais altas que a dos termômetros de controle, e que a temperatura aumentava na direção do sentido vermelho do espectro.

Ele então decidiu medir a temperatura da região logo após a cor vermelha, onde aparentemente não havia luz solar, e descobriu que a temperatura nessa região do espectro era mais elevada que nos lugares onde havia luz incidente.

Ele concluiu que naquela região devia haver alguma radiação que não era visível, e a nomeou que "raios caloríficos".

Após mais experimentos ele descobriu que essa radiação sofria os efeitos de reflexão, refração, absorção e transmissão de forma semelhante à das radiações do espectro visível. Essa radiação foi depois renomeada de radiação infravermelha.

Esse experimento foi importante para demonstrar que existem tipos de radiação que não são visíveis aos olhos humanos.


Teoria da Medição de Radiação

Em 1860, Gustav Kirchoff demonstrou a lei que estabelecia a igualdade entre a capacidade de um corpo em absorver e emitir energia radiante.

Essa lei é fundamental na teoria da transferência de calor por radiação. Kirchoff também propôs o termo "corpo negro" para designar um objeto que absorve toda a energia radiante que sobre ele incide.

Tal objeto, em consequência, seria um excelente emissor.

Comprimento de Onda

Em 1879, Joel Stefan enunciou, a partir de resultados experimentais, a lei que relaciona a radiância de um corpo com a sua temperatura. A radiância, W, é a potência da radiação térmica emitida, por unidade de área da superfície do corpo emissor. Ludwig Boltzmann chegou, em 1884, às mesmas conclusões através da termodinâmica clássica, o que resultou na chamada Lei de Stefan-Boltzmann:

W= e·. d .T4

Onde:

Lei de Stefan-Boltzmann

Para o corpo negro a máxima emissividade é igual a um. Portanto:

W = d.T4

Embora o corpo negro seja uma idealização, existem certos corpos como laca preta, placas ásperas de aço, placas de asbesto, com poder de absorção e de emissão de radiação térmica tão altos que podem ser considerado idênticos ao corpo negro. O corpo negro é considerado, portanto, um padrão com o qual são comparadas as emissões dos corpos reais.

Quando, sobre um corpo qualquer ocorrer a incidência de irradiação, teremos uma divisão dessa energia em três parcelas:

  • W = energia Incidente
  • WA = energia absorvida
  • WR = energia refletida
  • WT = energia transmitida

Sendo:

Lei de Stefan-Boltzmann
Lei de Stefan-Boltzmann


Somando-se os três coeficientes para um mesmo comprimento de onda temos:

a + d + t = 1

para materiais opacos, t = 0.

Normalmente a absorvidade é denominada "emissividade" que simbolizaremos por e e é influenciada por vários fatores. Os principais são:

  • a) Acabamento superficial: as superfícies polidas têm uma baixa absorvidade porque a refletividade é alta.
  • b) Natureza do material.
  • c) Temperatura da superfície: quando esta aumenta a emissividade também aumenta.

De acordo com Lei de Kirchoff existe uma igualdade entre a capacidade de um corpo em absorver a energia incidente e sua capacidade de reemiti-la. Chama-se a esta última de “emissividade”, a qual pode ser assim definida:

“A emissividade é a relação entre a energia irradiada, em um dado comprimento de onda, por um corpo qualquer e um corpo negro à mesma temperatura”.


e = W (corpo qualquer)

W (corpo negro)


Assim definida, a emissividade assume sempre valores entre 0 e 1, sendo numericamente iguais à fração de radiação absorvida pelo corpo. Considerando a radiação térmica emitida pelo corpo negro, como composta de ondas eletromagnéticas e obtido experimentalmente o seu espectro em função da temperatura, estava constituído o desafio aos físicos teóricos: explicar este espectro a partir de sua causa microscópica.

Uma onda eletromagnética de rádio ou televisão é emitida por uma antena que essencialmente se constitui de cargas oscilantes, isto é, um oscilador eletromagnético. No caso da radiação emitida por um corpo “as antenas” eram consideradas os osciladores microscópios provenientes da oscilação de cargas moleculares devido à vibração térmica no interior do corpo.

Num sólido, a uma determinada temperatura, as diversas moléculas oscilariam nas diversas frequências, emitindo a radiação com o espectro estudado.

Em 1901, o físico alemão Max Planck publicou os resultados do seu estudo da radiação térmica, onde satisfazia todos os requisitos conceituais experimentais da radiação do corpo negro.

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