Irradiação térmica

Irradiação térmica é o termo que se usa para dizer que algum corpo está sendo exposto à radiação térmica. A irradiação térmica é um dos principais processos de transferência de calor, esse processo ocorre por meio da emissão de ondas eletromagnéticas, uma vez que todos os corpos que se encontrem em temperaturas acima do zero absoluto emitem radiação térmica. Nesse tipo de processo, parte da energia térmica dos corpos é convertida em energia eletromagnética e vice-versa.

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Tópicos deste artigo

• 1 - Como ocorre a radiação térmica
• 2 - Irradiação e radiação
• 3 - Irradiação e ondas eletromagnéticas
• 4 - Radiação de corpo negro

Como ocorre a radiação térmica

A radiação térmica é gerada a partir dos movimentos de vibração dos átomos e moléculas, os constituintes básicos de toda a matéria. Diferentemente dos outros processos de transferência de calor, como a condução e a convecção, a irradiação pode ocorrer sem que haja a necessidade de um meio físico para a condução de calor, e isso só é possível porque as ondas eletromagnéticas podem propagar-se no vácuo.

Quando absorvida, a radiação térmica aquece os corpos. No entanto, existem corpos que conseguem absorvê-la com maior facilidade. Fatores como a cor, a composição química e os níveis de energia dos átomos afetam diretamente a capacidade de absorção de calor. Um exemplo disso são as roupas escuras, que se aquecem mais rapidamente do que as roupas claras, graças à sua maior capacidade de absorver calor quando irradiadas.

Irradiação e radiação

Enquanto a palavra radiação refere-se à energia que é emitida na forma de ondas eletromagnéticas, a irradiação refere-se à exposição a essa radiação. Por exemplo: a radiação solar irradia o planeta Terra, provendo-lhe de energia em forma de calor e luz visível. A palavra irradiação relaciona-se com a palavra radiação do mesmo modo que magnetismo relaciona-se com magnetização, por exemplo.

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Irradiação e ondas eletromagnéticas

Nem todas as ondas eletromagnéticas transportam calor. As ondas eletromagnéticas cujas frequências encontram-se em regiões próximas às frequências da cor vermelha e do infravermelho são mais eficientes para a transferência de calor do que as demais. Além do mais, é sabido que a maneira como as ondas eletromagnéticas interagem com a matéria depende de sua frequência.

Confira a seguir quais são os efeitos mais comuns que cada tipo de onda eletromagnética pode causar à matéria:

• Micro-ondas: apresentam grande comprimento de onda quando interagem com a matéria e podem fazer com que os átomos e moléculas realizem movimentos de rotação, como ocorre com as moléculas de água no interior de um forno micro-ondas.
• Infravermelho: é quase completamente absorvido pela matéria, esse tipo de onda eletromagnética é responsável pela maior parte da transmissão de calor. Quando interage com a matéria, o infravermelho faz com que átomos e moléculas passem a vibrar com maior intensidade.
• Luz visível: distribuída entre as frequências que vão do vermelho ao violeta, é capaz de promover a excitação dos elétrons. Essas frequências de luz são capazes de estimular mudanças nos níveis de energia dos átomos.
• Ultravioleta: assim como a luz visível, promove excitação de elétrons, no entanto, as maiores frequências de ultravioleta são ionizantes, isto é, por conta de sua alta energia, tornam-se capazes de arrancar os elétrons de seus átomos.
• Raios X: promovem a ionização de átomos e também o espalhamento Compton, nesse fenômeno, os átomos que absorvem os raios X reemitem-no em frequências menores.
• Raios gama: ondas eletromagnéticas com alto poder de penetração e altamente capazes de ionizar átomos e moléculas.

Quando expostos à radiação infravermelha, os átomos e moléculas absorvem-na, fazendo com que sua vibração térmica aumente. As cargas elétricas que estão presentes nos átomos também vibram, por isso, essa radiação é reemitida em direção a outros corpos.

Não há sequer um momento em que não troquemos calor, em forma de ondas eletromagnéticas, com os corpos que se encontram ao nosso redor. De acordo com o que diz a Lei Zero da Termodinâmica, essa troca ocorre até que se alcance a condição de equilíbrio térmico.

Veja também: Espectro eletromagnético - as possíveis frequências de ondas eletromagnéticas

Radiação de corpo negro

Um corpo negro é um objeto idealizado, ou seja, trata-se de uma proposição teórica. De acordo com a teoria, um corpo negro deve ser capaz de absorver toda a radiação que incide sobre sua superfície. Uma vez que esse corpo atinja o equilíbrio térmico entre suas partes, passará a emitir radiação térmica na mesma taxa em que a absorve.

Na natureza, não existem corpos negros ideais, no entanto, existem aqueles que se aproximam bastante dessa situação, como as estrelas, capazes de absorver toda a radiação que incide sobre elas.

Graças às explicações de importantes físicos, como Joseph Stefan e Ludwig Boltzmann, hoje conseguimos relacionar diretamente a potência irradiada pela superfície dos corpos negros com a sua temperatura, assim como fazem os termômetros a laser, chamados de pirômetros.

Além disso, existem leis físicas, tal como a lei de Wien, que relacionam a frequência das ondas eletromagnéticas  emitidas em forma de radiação térmica com a temperatura do corpo que as emitiu. Foi por meio dessas leis que conseguimos estimar a temperatura e a idade de estrelas e planetas extremamente distantes.

Os estudos sobre a radiação de corpo negro foram além das leis de Stefan-Boltzmann e da lei de Wien. Em busca da resolução de um problema aparentemente insolúvel, o físico alemão Max Planck sugeriu a existência de pequenos pacotes de luz, os fótons (que eram chamados de quantas de luz). Na época, Planck foi duramente criticado e sua sugestão não foi bem aceita no meio acadêmico. No entanto, em 1905, Albert Einstein fez uso desse argumento para explicar o efeito fotoelétrico, o que lhe rendeu o prêmio Nobel de Física.

Por Me. Rafael Helerbrock