Questão 3 (1,5 Pontos) - Defina radiação térmica e diferencie-a dos demais mecanismos de transferência de calor. O que caracteriza um corpo negro e qual a importância desse conceito na formulação das leis da radiação?
Passo 1
O enunciado pede para definirmos o que é radiação térmica, compará-la com os outros dois mecanismos de transferência de calor (condução e convecção), e em seguida caracterizar o corpo negro e explicar por que esse conceito é essencial para formular as leis da radiação.
Passo 2
Radiação térmica é a transferência de energia na forma de ondas eletromagnéticas emitidas por qualquer corpo devido à agitação térmica de suas partículas. Diferentemente de condução e convecção, que exigem um meio material (sólido para condução e fluido para convecção), a radiação pode ocorrer no vácuo e propaga-se na velocidade da luz.
Condução ocorre por interação direta entre moléculas vizinhas e convecção por transporte de massa de um fluido em movimento; já a radiação dispensa contato e transporte de massa.
Condução ocorre por interação direta entre moléculas vizinhas e convecção por transporte de massa de um fluido em movimento; já a radiação dispensa contato e transporte de massa.
Passo 3
Um corpo negro é um emissor e absorvedor ideal de radiação:
– Absorve totalmente toda radiação incidente ( ).
– Emite o máximo de energia possível em cada comprimento de onda, conforme sua temperatura.
Pela lei de Kirchhoff, num corpo negro a emissividade é igual à absorptividade
, logo
. Isso permite derivar uma lei universal do corpo negro.
– Absorve totalmente toda radiação incidente (
– Emite o máximo de energia possível em cada comprimento de onda, conforme sua temperatura.
Pela lei de Kirchhoff, num corpo negro a emissividade
Passo 4
O conceito de corpo negro fornece a referência absoluta para quantificar emissão e absorção de radiação. A partir dele foram formuladas as principais leis da radiação:
– Lei de Stefan–Boltzmann, que diz que a potência total emitida por unidade de área é
,
onde é a constante de Stefan–Boltzmann e
a temperatura em kelvin.
– Lei de Planck, que especifica a distribuição espectral da emissão:
– Lei de Stefan–Boltzmann, que diz que a potência total emitida por unidade de área é
onde
– Lei de Planck, que especifica a distribuição espectral da emissão:
que só se encaixa num emissor ideal (
).
Sem o corpo negro como modelo, não seria possível formular essas leis universais nem calibrar emissores reais em engenharia térmica.
Sem o corpo negro como modelo, não seria possível formular essas leis universais nem calibrar emissores reais em engenharia térmica.
Resposta
A radiação térmica é o mecanismo de troca de calor por ondas eletromagnéticas emitidas pela vibração térmica das partículas de um corpo, podendo ocorrer no vácuo. Condução e convecção dependem de meios materiais (sólidos ou fluidos), enquanto a radiação não.
Um corpo negro é um corpo ideal que absorve toda a radiação incidente ( ) e emite a máxima quantidade de energia em cada comprimento de onda, de modo que sua emissividade é
. Esse conceito é crucial porque serve de referência para derivar as leis universais da radiação—em particular a lei de Stefan–Boltzmann
e a lei de Planck para a distribuição espectral—e calibrar emissores reais em aplicações de engenharia.
Um corpo negro é um corpo ideal que absorve toda a radiação incidente (