Radiação térmica e ondas eletromagnéticas

10 de maio, 2021 às 16:49 | Postado em Eletromagnetismo, Radiação, Termologia, termodinâmica

Olá, sou um aluno do 9º ano e tenho umas pequenas dúvidas sobre alguns tipos de onda eletromagnéticas, especificamente sobre radiação térmica.

Porque a micro-onda não é considerada uma radiação térmica? ela consegue aquecer a agua num forno de micro-ondas, não?

E a luz solar visível, também é uma radiação térmica como o infravermelho? é a luz visível que aquece a Terra ou é o infravermelho? ou os dois ao mesmo tempo?

Inicialmente é necessário se esclarecer o que é radiação térmica. Não é qualquer radiação eletromagnética, mesmo apresentando efeitos térmicos sobre a matéria, que recebe a denominação de radiação térmica.

A radiação térmica é radiação eletromagnética emitida em decorrência do movimento térmico dos constituintes microscópicos da matéria, acontecendo em qualquer temperatura superior ao zero absoluto. Devido ao movimento térmico partículas carregadas são aceleradas e/ou dipolos elétricos oscilam, determinando a emissão de radiação eletromagnética. Desta forma há conversão de energia térmica em energia eletromagnética.

Uma das propriedade importantes da radiação térmica é que ela ocorre em variados comprimentos de onda ou frequências e nunca em um único comprimento de onda ou frequência. A radiação térmica se apresenta com uma distribuição espectral de comprimentos de onda que muda com a temperatura do corpo emissor e é regida pela Lei de Planck para a radiação do corpo negro.

Outra propriedade da radiação térmica é que o comprimento de onda preferencial, em torno do qual ocorre o espectro de emissão é dado pela Lei de Wien que implica que aumentando a temperatura absoluta do emissor, encurte o comprimento de onda preferencial. Ao encurtar o comprimento de onda preferencial a potência total irradiada por unidade de área da superfície emissora, em acordo com a Lei de Stephan-Boltzmann, cresce com a quarta potência da temperatura.

A Figura 1 representa a radiância espectral do corpo negro para três diferentes temperaturas em função do comprimento de onda emitido. As três curvas implicam que a emissão de radiação térmica se dá em um largo espectro que passa pelo ultravioleta (UV), visível e infravermelho, além de mostrar que o comprimento de onda preferencial (pico das três curvas) se desloca para a esquerda (i.e., diminui o comprimento de onda) quando a temperatura aumenta  em acordo com a Lei de Wien. A área embaixo dessas curvas, que representa a intensidade total irradiada, cresce em acordo com a Lei de Stephan-Boltzmann quando aumenta a temperatura.

A radiação solar que chega no topo da atmosfera terrestre é consequente da emissão térmica da fotosfera do Sol e corresponde à radiação de corpo negro na temperatura de 5800K conforme discutido em A Lei de Wien não prevê a cor da luz solar?

Portanto, tanto a luz solar, quanto as radiações não visíveis de infravermelho e ultravioleta que chegam à Terra se constituem em radiação térmica oriunda no Sol. Se a radiação solar é absorvida, não importando qual é o comprimento de onda, ela terá como um dos efeitos o aquecimento conforme discutido em É somente a radiação infravermelha que aquece a roupa escura? Ou seja, radiação visível também aquece a Terra.

A radiação de micro-ondas dos fornos de cozinha não é radiação térmica, embora tenha efeitos térmicos nos alimentos, pois o mecanismo de produção de tal radiação nada tem a ver com transformação de energia térmica dos constituintes microscópicos da matéria em energia eletromagnética. Tem a ver com um processo macroscópico de oscilação de um circuito elétrico que transforma energia elétrica da rede em energia eletromagnética radiante, sendo que o comprimento de onda emitido está definido pelas dimensões da válvula magnetron conforme discutido em Dimensão do gerador de micro-ondas.

Mais sobre o aquecimento por micro-ondas vide Aquecimento da água no micro-ondas NÃO se dá por ressonância!   

É importante notar que efeitos térmicos podem provir de muitos processos diferentes e alguns exemplos estão dados em Termodinâmica: as diversas formas de trabalho.

Finalizando destaca-se também que nem toda a radiação infravermelha é radiação térmica. Um exemplo encontra-se nos controladores remotos de aparelhos eletrodomésticos que geram esta radiação usando circuitos oscilantes com um comprimento de onda bem definido e próximo do visível. E tão próximo do visível que câmaras fotográficas conseguem “ver” (registrar) o infravermelho dos controladores conforme a postagem O infravermelho dos controladores remotos.

“Docendo discimus.” (Sêneca)