Energía radiante

La luz visible, como la luz solar, transporta energía radiante, que se utiliza en la generación de energía solar.

En física, y en particular medida por radiometría, la energía radiante es la energía de la radiación electromagnética y gravitacional.[1]​ Como energía, su unidad SI es el joule (J). La cantidad de energía radiante puede calcularse integrando el flujo radiante (o potencia) con respecto al tiempo. El símbolo Q_e se utiliza a menudo en la literatura para denotar energía radiante ("e" para "energético", para evitar confusiones con cantidades fotométricas). En ramas de la física distintas de la radiometría, se hace referencia a la energía electromagnética mediante E o W. El término se usa particularmente cuando una fuente emite radiación electromagnética al entorno circundante. Esta radiación puede ser visible o invisible para el ojo humano.[2]​[3]​

Uso e historial de terminología

El término "energía radiante" se utiliza con mayor frecuencia en los campos de la radiometría, la energía solar, la calefacción y la iluminación, pero a veces también se utiliza en otros campos (como las telecomunicaciones). En aplicaciones modernas que implican la transmisión de energía de un lugar a otro, la "energía radiante" se utiliza a veces para referirse a las ondas electromagnéticas en sí mismas, en lugar de a su energía (una propiedad de las ondas). En el pasado, también se ha utilizado el término "energía electro-radiante".

El término "energía radiante" también se aplica a la radiación gravitacional.[4]​[5]​ Por ejemplo, las primeras ondas gravitacionales jamás observadas fueron producidas por la colisión de un agujero negro que emitió aproximadamente 5,3 ×10^47 julios de energía de ondas gravitacionales.[6]​

Análisis

Radiación de Cherenkov brillando en el núcleo de un reactor TRIGA.

Debido a que la radiación electromagnética (EM) se puede conceptualizar como una corriente de fotones, la energía radiante se puede ver como energía de fotones, la energía transportada por estos fotones. Alternativamente, la radiación EM puede verse como una onda electromagnética, que transporta energía en sus campos eléctricos y magnéticos oscilantes. Estas dos visiones son completamente equivalentes y se reconcilian entre sí en la teoría cuántica de campos (ver dualidad onda-partícula).

La radiación EM puede tener varias frecuencias. Las bandas de frecuencia presentes en una determinada señal EM pueden estar claramente definidas, como se ve en los espectros atómicos, o pueden ser amplias, como en la radiación de cuerpo negro. En la imagen de partículas, la energía transportada por cada fotón es proporcional a su frecuencia. En la imagen de la onda, la energía de una onda monocromática es proporcional a su intensidad. Esto implica que si dos ondas EM tienen la misma intensidad, pero diferentes frecuencias, la de mayor frecuencia "contiene" menos fotones, ya que cada fotón es más energético.

Cuando las ondas electromagnéticas son absorbidas por un objeto, la energía de las ondas se convierte en calor (o se convierte en electricidad en el caso de un material fotoeléctrico). Este es un efecto muy familiar, ya que la luz solar calienta las superficies que irradia. A menudo, este fenómeno se asocia particularmente con la radiación infrarroja, pero cualquier tipo de radiación electromagnética calentará un objeto que la absorba. Las ondas electromagnéticas también pueden reflejarse o dispersarse, en cuyo caso su energía también se redirecciona o redistribuye.

Sistemas abiertos

La energía radiante es uno de los mecanismos por los cuales la energía puede entrar o salir de un sistema abierto.[7]​[8]​[9]​ Tal sistema puede ser hecho por el hombre, como un colector de energía solar, o natural, como la atmósfera de la Tierra. En geofísica, la mayoría de los gases atmosféricos, incluidos los gases de efecto invernadero, permiten que la energía radiante de longitud de onda corta del Sol pase a través de la superficie de la Tierra, calentando el suelo y los océanos. La energía solar absorbida se vuelve a emitir en parte como radiación de longitud de onda más larga (principalmente radiación infrarroja), parte de la cual es absorbida por los gases de efecto invernadero atmosféricos. La energía radiante se produce en el sol como resultado de la fusión nuclear.[10]​

Aplicaciones

La energía radiante se utiliza para la calefacción radiante. Puede generarse eléctricamente mediante lámparas infrarrojas, o puede absorberse de la luz solar y usarse para calentar agua. La energía térmica se emite desde un elemento cálido (piso, pared, panel superior) y calienta a las personas y otros objetos en las habitaciones en lugar de calentar directamente el aire. Debido a esto, la temperatura del aire puede ser más baja que en un edificio con calefacción convencional, aunque la habitación parezca igual de cómoda.

Se han ideado varias otras aplicaciones de la energía radiante.[11]​ Estos incluyen tratamiento e inspección, separación y clasificación, medio de control y medio de comunicación. Muchas de estas aplicaciones involucran una fuente de energía radiante y un detector que responde a esa radiación y proporciona una señal que representa alguna característica de la radiación. Los detectores de energía radiante producen respuestas a la energía radiante incidente, ya sea como un aumento o disminución en el potencial eléctrico o el flujo de corriente o algún otro cambio perceptible, como la exposición de una película fotográfica.

Unidades de radiometría SI

Unidades radiométricas del SI

Magnitud		Unidad		Dimensión	Notas
Nombre	Símbolo[12]​	Nombre	Símbolo
Energía radiante	Qe[13]​	julio	J	M⋅L^2⋅T^−2	Energía de la radiación electromagnética.
Densidad de energía radiante	we	julio por metro cúbico	J/m^3	M⋅L^−1⋅T^−2	Energía radiante por unidad de volumen.
Flujo radiante	Φe[13]​	vatio	W = J/s	M⋅L^2⋅T^−3	Energía radiante emitida, reflejada, transmitida o recibida, por unidad de tiempo. A esto a veces también se le llama "potencia radiante", y se llama luminosidad en astronomía.
Flujo espectral	Φe,ν[14]​	vatio por hercio	W/Hz	M⋅L^2⋅T^−2	Flujo radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅nm^−1.
	Φe,λ[15]​	vatio por metro	W/m	M⋅L⋅T^−3
Intensidad radiante	Ie,Ω[16]​	vatio por estereorradián	W/sr	M⋅L^2⋅T^−3	Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido, por unidad de ángulo sólido. Es una cantidad "direccional".
Intensidad espectral	Ie,Ω,ν[14]​	vatio por estereorradián por hercio	W⋅sr^−1⋅Hz^−1	M⋅L^2⋅T^−2	Intensidad radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅sr^−1⋅nm^−1. Es una magnitud direccional.
	Ie,Ω,λ[15]​	vatio por estereorradián por metro	W⋅sr^−1⋅m^−1	M⋅L⋅T^−3
Radiancia	Le,Ω[16]​	vatio por estereorradián por metro cuadrado	W⋅sr^−1⋅m^−2	M⋅T^−3	Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido por una superficie, por unidad de ángulo sólido por unidad de área proyectada. Es una cantidad "direccional", a la que a veces también se le llama confusamente "intensidad".
Radiancia espectral Intensidad específica	Le,Ω,ν[14]​	vatio por estereorradián por metro cuadrado por hercio	W⋅sr^−1⋅m^−2⋅Hz^−1	M⋅T^−2	Resplandor de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅sr^−1⋅m^−2⋅nm^−1. Es una cantidad "direccional", a la que a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral".
	Le,Ω,λ[15]​	vatio por estereorradián por metro cuadrado, por metro	W⋅sr^−1⋅m^−3	M⋅L^−1⋅T^−3
Irradiancia Densidad de flujo	Ee[13]​	vatio por metro cuadrado	W/m^2	M⋅T^−3	Flujo radiante recibido por una superficie por unidad de área. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad".
Irradiancia espectral Densidad de flujo espectral	Ee,ν[14]​	vatio por metro cuadrado por hercio	W⋅m^−2⋅Hz^−1	M⋅T^−2	Irradiancia de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral". Las unidades de densidad de flujo espectral que no pertenecen al SI incluyen jansky (unidad) ((1 Jy = 10^−26 W⋅m^−2⋅Hz^− 1)) y unidad de flujo solar ((1 sfu = 10^−22 W⋅m^−2⋅Hz^−1 = 104 Jy)).
	Ee,λ[15]​	vatio por metro cuadrado, por metro	W/m^3	M⋅L^−1⋅T^−3
Radiosidad	Je[13]​	vatio por metro cuadrado	W/m^2	M⋅T^−3	Flujo radiante que sale (emitido, reflejado y transmitido por) una superficie por unidad de área. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad".
Radiosidad espectral	Je,ν[14]​	vatio por metro cuadrado por hercio	W⋅m^−2⋅Hz^−1	M⋅T^−2	Radiosidad de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅m^−2⋅nm^−1. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral".
	Je,λ[15]​	vatio por metro cuadrado, por metro	W/m^3	M⋅L^−1⋅T^−3
Salida radiante	Me[13]​	vatio por metro cuadrado	W/m^2	M⋅T^−3	Flujo radiante emitido por una superficie por unidad de área. Este es el componente emitido de la radiosidad. "Emitancia radiante" es un término antiguo para esta cantidad. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad".
Salida espectral	Me,ν[14]​	vatio por metro cuadrado por hercio	W⋅m^−2⋅Hz^−1	M⋅T^−2	Exitancia radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅m^−2⋅nm^−1. "Emitancia espectral" es un término antiguo para esta cantidad. A esto a veces también se le llama confusamente "intensidad espectral".
	Me,λ[15]​	vatio por metro cuadrado, por metro	W/m^3	M⋅L^−1⋅T^−3
Exposición radiante	He	julio por metro cuadrado	J/m^2	M⋅T^−2	Energía radiante recibida por una superficie por unidad de área, o equivalentemente irradiancia de una superficie integrada a lo largo del tiempo de irradiación. A esto a veces también se le llama "fluencia radiante".
Exposición espectral	He,ν[15]​	julio por metro cuadrado por hercio	J⋅m^−2⋅Hz^−1	M⋅T^−1	Exposición radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en J⋅m^−2⋅nm^−1. A esto a veces también se le llama "fluencia espectral".
	He,λ[15]​	julio por metro cuadrado, por metro	J/m^3	M⋅L^−1⋅T^−2
Véase también: Sistema Internacional de Unidades, Radiometría y Fotometría

Véase también

• Energía luminosa
• Luminiscencia
• Poder
• Radiometría
• Estándar Federal 1037C
• Transmisión
• Sistema abierto
• Efecto fotoeléctrico
• Fotodetector
• Célula fotovoltaica
• Célula fotoeléctrica

Referencias

1. "Radiant energy". Federal standard 1037C
2. George Frederick Barker, Physics: Advanced Course, page 367
3. Hardis, Jonathan E., "Visibility of Radiant Energy Archivado el 29 de septiembre de 2009 en Wayback Machine.". PDF.
4. Kennefick, Daniel (15 de abril de 2007). Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-11727-0. Consultado el 9 de marzo de 2016. 
5. Sciama, Dennis (17 de febrero de 1972). «Cutting the Galaxy's losses». New Scientist: 373. Consultado el 9 de marzo de 2016. 
6. Abbott, B.P. (11 de febrero de 2016). «Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger». Physical Review Letters 116 (6): 061102. PMID 26918975. doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102. 
7. Moran, M.J. and Shapiro, H.N., Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Chapter 4. "Mass Conservation for an Open System", 5th Edition, John Wiley and Sons. ISBN 0-471-27471-2.
8. Robert W. Christopherson, Elemental Geosystems, Fourth Edition. Prentice Hall, 2003. Pages 608. ISBN 0-13-101553-2
9. James Grier Miller and Jessie L. Miller, The Earth as a System Archivado el 22 de abril de 2021 en Wayback Machine..
10. Energy transformation. assets.cambridge.org. (excerpt)
11. Class 250, Radiant Energy Archivado el 3 de julio de 2009 en Wayback Machine., USPTO. March 2006.
12. Las organizaciones de estándares recomiendan que las magnitudes radiométricas se denoten con el sufijo e (de energético) para evitar confusión con cantidades fotométricas o fotónicas.
13. A veces se ven símbolos alternativos: W o E para energía radiante, P o F para flujo radiante, I para irradiancia, W para salida radiante.
14. Las magnitudes espectrales dadas por unidad de frecuencia se denotan con el sufijo "ν" (letra griega nu, que no debe confundirse con la letra "v", que indica una magnitud fotométrica.
15. Las cantidades espectrales dadas por unidad de longitud de onda se denotan con el sufijo "λ".
16. Las cantidades direccionales se indican con el sufijo "Ω".

 

Otras lecturas

• Caverly, Donald Philip, Primer of Electronics and Radiant Energy. New York, McGraw-Hill, 1952.
• Whittaker, E. T. (Apr 1929). «What is energy?». The Mathematical Gazette (The Mathematical Association) 14 (200): 401-406. JSTOR 3606954. doi:10.2307/3606954. 
• Lang, Kenneth R. (1999). Astrophysical Formulae. Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-29692-8. 
• Mischler, Georg (2003). «Radiant energy». Lighting Design Knowledgebase. Consultado el 29 de octubre de 2008. 
• Elion, Glenn R. (1979). Electro-Optics Handbook. CRC Press Technology & Industrial Arts. ISBN 0-8247-6879-5. 

• Datos: Q1259526