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Um mal-entendido sobre absorção e emissão da radiação térmica

Boa tarde, professor Lang! Prêmio da Sociedade Brasileira de Física de divulgação científica de 2022 mais do que merecido pela tua imensa contribuição ao ensino da física no Brasil.

Professor, eu me chamo Gabriel e sou professor em Cuiabá e aqui teve o vestibular da universidade estadual de Mato Grosso. Acredito ter um problema em uma questão e eles já fizeram o gabarito oficial. Gostaria da tua ajuda, se puder.

Eles colocaram como resposta o item B. Mas ao meu ver isso não é possível, pois o bom absorvedor seria também um bom emissor de radiação. Estou certo? Ao meu ver, o item E seria o mais razoável. Obrigado, professor!

Respondido por: Prof. Fernando Lang da Silveira - IF-UFRGS

O bom absorvedor seria também um bom emissor de radiação” quando a absorção e a emissão do corpo cinza (corpo que emite energia radiante com a mesma distribuição espectral do corpo negro na mesma temperatura, mas em menor quantidade) acontece em idênticos espectros da radiação eletromagnética. Somente o corpo negro emite e absorve perfeitamente radiações com quaisquer frequências.

Os corpos cinzas, em acordo com o estabelecido por G. Kirchhoof (1860) no artigo  “Sobre a relação entre a emissividade e a absortividade de corpos” , apresentam idêntica emissividade e absortividade da radiação na situação de equilíbrio termodinâmico.

No caso dos coletores solares a absorção da energia radiante acontece principalmente na faixa do visível e do infravermelho próximo (vide Classificação do infravermelho). A radiação térmica emitida pelo coletor se dá em frequências completamente diferentes da radiação solar, acontecendo na faixa de infravermelho longo (a frequência do infravermelho longo é cerca de dez vezes menor do que as frequências da radiação solar). Portanto é desejável que a absortividade para a radiação solar seja maior do que a emissividade na faixa de infravermelho.

Os painéis de coletores solares (Figura 1) usualmente possuem uma placa de vidro como cobertura cuja função é deixar penetrar a radiação solar e ser absorvida abaixo, em estruturas com alta absortividade, aquecendo o sistema, especialmente a água que por ali circula. A elevação da temperatura desse sistema determina um aumento da emissão de radiação térmica na faixa de infravermelho longo que o vidro impede a passagem para o ambiente externo (vide a discussão em Vidro e radiação infravermelha: efeito estufa) e também impede perdas de energia por convecção.

Desta forma, de fato um coletor solar concretiza o objetivo de “(B) Ser bom absorvedor da radiação luminosa e emitir pouca radiação infravermelha“.

A postagem seguinte tratou de um caso extremo de absorção da radiação solar e emissão  de radiação térmica: Temperatura da sonda Parker em sua máxima aproximação do Sol.

OBSERVAÇÃO: o artigo Temperature-independent thermal radiation apresenta uma substância que muda sua emissividade com a temperatura de tal forma que a radiação térmica permaneça praticamente inalterada.

“Docendo discimus.” (Sêneca)


4 comentários em “Um mal-entendido sobre absorção e emissão da radiação térmica

  1. Gabriel disse:

    Professor, obrigado pela resposta! Entendo que o coletor solar deva ser de acordo com o item B. Mas a pergunta foi sobre o material de que o coletor é feito, no meu entendimento, este deve emitir bastante radiação, por estar quente, como mencionaste na resposta.

    • Fernando Lang disse:

      Sim, ele emite. Entretanto a sua emissividade não é igual à sua absortividade e ele é delineado para minimizar perdas, seja por emissão de radiação térmica, seja por convecção. O efeito estufa que a placa de vidro produz é importante neste processo. Sugiro a leitura da postagem sobre o efeito estufa indicada na resposta.

  2. Francisco A. Brandão Junior disse:

    A questão não exige conhecimentos profundos das características do material nem da física envolvida.O Gabriel bastaria saber sobre trocas de calor e entender o funcionamento do coletor solar.
    primeiro processo o coletor recebe a energia luminosa solar que se transforma em calor aquecendo o material do qual é construido.; segundo processo este material aquecido transfere calor para a água contida nas serpentinas. A meu ver as respostas oferecidas quando comparadas parecem dizer a mesma coisa. Vejamos itens B e C
    item B – Bom absorvedor de radiação luminosa, item C- mau emissor de radiação luminosa
    item B – emitir pouca radiação infravermelha. item c – absorver muita radiação infravermelha
    Observe o comentário do Gabriel : “este deve emitir bastante radiação, por estar quente, como mencionaste na resposta.” Ele está pensando no aquecimento da água, e neste caso ocorre a condução.

    • Fernando Lang disse:

      A dúvida do Gabriel se deve a uma afirmação encontrada em livros de ensino médio e até superior de que “o bom absorvedor também é bom emissor de radiação”. Esta afirmação é uma generalização inapropriada dos estudos de Kirchhoof conforme o segundo parágrafo da minha resposta.

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