Calentamiento por radiación
Cuando la radiación
electromagnética encuentra en su camino algún objeto puede pasar
una de estas tres casos:
Caso 1: La radiación continúa su
camino. A este objeto le llamamos transparente, como al aire.
Caso 2: La radiación continúa su
camino, pero va perdiendo intensidad. Incluso podría perder
intensidad desde el primer contacto. A estos objetos les llamamos
“opacos”. Por ejemplo, el cuerpo humano es opaco porque la luz no pasa (no se transmite) a través él.
Caso 3: La radiación no atraviesa el
objeto ni se absorbe en la superficie, más bien se refleja en una o
varias direcciones distintas a la original. A estas superficies les
llamamos “reflectantes”, como los espejos.
En la realidad lo más común es que ocurran los tres fenómenos al mismo tiempo, sólo cambia el porcentaje en que ocurre cada uno. Los casos extremos serían los siguientes:
La combinación de estas (y otras propiedades) se toman en cuenta para seleccionar materiales para la fabricación de objetos: Ventanas, lentes, placas solares, pintura de vehículos, etc.
- 100% reflexión: un espejo perfecto.
- 100% absorción: cuerpo negro perfecto.
- 100% transmisión: cuerpo transparente perfecto.
La combinación de estas (y otras propiedades) se toman en cuenta para seleccionar materiales para la fabricación de objetos: Ventanas, lentes, placas solares, pintura de vehículos, etc.
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| Fig. 2. Los tres efectos: reflexión (luz blanca reflejada), absorción (al interior del prisma triangular) y transmisión (la luz de color que sale del prisma). También se dan otros efectos, pero ya los "explica" Pink Floyd en su disco "Dark Side of the Moon". La imagen está inspirada en la portada de ese disco. Imagen de Musiclipse. |
En los casos de reflexión y transmisión total no se da el calentamiento, solo cuando hay absorción; matizando, tampoco nos interesa una absorción en la
superficie (la comida tendría una capa quemada y por dentro estará
frío), sino una absorción que se pueda dar “a lo largo” de toda
la comida. Es exactamente lo mismo que ocurre con la luz del sol
cuando penetra en el mar, según va entrando la luz va siendo
absorbida, de tal manera que cerca de la superficie podemos ver bien
y a mayor profundidad se ve más oscuro, porque la luz se fue
absorbiendo según iba entrando.
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| Fig. 3. Como te absorba... De la película "Tiburón" de Steven Spielberg. |
De esta forma no solo se calentará
la parte superficial del objeto con la radiación, sino que
irá calentando por todos sitios donde se vaya absorbiendo.
Siempre que hay radiación electromagnética nos podemos encontrar con el fenómeno de la absorción en la superficie de los objetos. Es sencillo comprobar esta afirmación: si acercamos nuestra mano a una fuente de luz (siempre cuidando de no tocar y no quemarnos; hazlo con la supervisión de un adulto). De hecho, según la aplicación que buscamos de la radiación electromagnética podríamos tener efectos no deseados. Por ejemplo, en las bombillas de luz incandescente (las antiguas), aproximadamente el 10% de la energía se usaba en la generación de luz, mientras que el buena parte del resto se iba en generar calor. Incluso las lámparas ponían advertencias sobre esto, pues se podían llegar a quemar con bombillas muy potentes. En eso se basan las actuales led: prácticamente el 80% de la energía la usan para generar luz visible, y en mucha menor medida, calor.
- Calefacción infrarroja. Si quieres mantener la temperatura en un sitio relativamente pequeño (o localizado) y de manera estable, los infrarrojos están contigo:
- Sensores de movimiento. Los llamados PIR (Pasivos Infrarrojos) son un tipo de sensores utilizados en los detectores de movimiento. Se utilizan tanto en cámaras de seguridad como en luces que se encienden al menor movimiento.
- Control remoto/mando a distancia. Uno de los grandes placeres de la vida (o no) es cambiar el canal de la TV sin tener que ir hasta el aparato. Gracias a un pequeño led IR en el aparato, éste es capaz de emitir señales que son captadas por el receptor. En este caso no hay imagen porque puedes verla por tu cuenta, sólo necesitas tu teléfono inteligente y un control remoto/mando a distancia de TV, DVD o similar y sigue estos pasos:
Fig. 6. En esta ocasión la imagen la has hecho tu.
- Visión nocturna. Se le llama así porque permite usar la vista en sitios donde la luz visible es escasa o nula (situación en la cual decimos que "está oscuro"). En este caso, el aparato hace lo mismo que nuestro teléfono: captura la luz infrarroja y la muestra como luz visible en una pantalla. Estos aparatos tuvieron aplicaciones militares en sus inicios y son divertidos cuando los puedes usar en la oscuridad, como se ve en la figura 7:
- Espectroscopia de Infrarrojo. Dado que es una onda electromagnética, su rango de energía es muy similar a lo que necesitan algunas moléculas para rotar o vibrar. La técnica de la Espectroscopía tiene muchas variantes, y una de ellas se basa en la absorción de la radiación IR para su posterior emisión que luego será captada por un sensor; en este caso, la absorción y la emisión IR se debe a la vibración de las moléculas. Con esto podemos saber la composición de algunos materiales.
Los hornos eléctricos son en su mayoría de los siguientes tipos, según el uso:
- Hornos UV/IR. Tienen aplicaciones industriales y se pueden utilizar sin necesidad de una cámara cerrada. La radiación se puede generar con resistencias eléctricas o con LEDs (según el uso o precio). Los LEDs o las resistencias se ponen en forma de matriz (una cuadrícula) y una banda móvil hace pasar el material a calentar por debajo o por arriba de dicha matriz. Mejor verlo en el video:
En el caso Dosilet, el horno está diseñado para ser usado en hostelería y tiene en cuenta las necesidades de espacio, consumo de energía, velocidad para calentar los alimentos y como se puede apreciar, para calentar justo como se necesita, en este caso, el horno está especializado en pizzas; evidentemente pueden diseñar tanto para otras aplicaciones particulares como más generales:
- Hornos de cámara cerrada. También hay UV/IR, pero suelen utilizar normalmente una resistencia eléctrica para generar calor por radiación y suelen utilizar ventiladores para crear corrientes de convección. Si además se utiliza una bandeja, esta se calentará haciendo que el calor pase a los objetos por contacto directo. Esta es la Física básica, a partir de aquí la ingeniería se encarga de diseñar el horno para el máximo aprovechamiento de todos los recursos. Un típico horno de cámara cerrada puede ir desde los conocidos hornos domésticos hasta grandes cámaras de varios metros de longitud. De hecho, yo trabajé en un horno de este tipo de unos 3m x 2m x 5m (o sea, unos 30 m3) para la fabricación prototipos de partes de automóvil.
En la fabricación de cualquiera de estos hornos es necesario conocer las necesidades caloríficas, el tiempo, la geometría y las propiedades físicas de los productos. Todo esto ayudará a determinar el tamaño, forma, disposición y materiales del horno para obtener un calor uniforme en el tiempo y en el espacio. No sobra decir que para hacer esto se tienen que resolver muchas ecuaciones :)
Siempre que hay radiación electromagnética nos podemos encontrar con el fenómeno de la absorción en la superficie de los objetos. Es sencillo comprobar esta afirmación: si acercamos nuestra mano a una fuente de luz (siempre cuidando de no tocar y no quemarnos; hazlo con la supervisión de un adulto). De hecho, según la aplicación que buscamos de la radiación electromagnética podríamos tener efectos no deseados. Por ejemplo, en las bombillas de luz incandescente (las antiguas), aproximadamente el 10% de la energía se usaba en la generación de luz, mientras que el buena parte del resto se iba en generar calor. Incluso las lámparas ponían advertencias sobre esto, pues se podían llegar a quemar con bombillas muy potentes. En eso se basan las actuales led: prácticamente el 80% de la energía la usan para generar luz visible, y en mucha menor medida, calor.
Calentar por IR (InfraRrojos)
Hay un tipo de radiación que es muy sencilla de producir y utilizar: La radiación por infrarrojos. Como ya se explicó anteriormente, ésta radiación es la predominante y experimentalmente es la que se conoce que calienta de manera óptima; aunque tienen subclasificaciones (lejano, cercano) no entraremos en esos detalles. Tanto es así que algunas de sus aplicaciones son las siguientes:- Calefacción infrarroja. Si quieres mantener la temperatura en un sitio relativamente pequeño (o localizado) y de manera estable, los infrarrojos están contigo:
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| Fig. 4. ¿Y quien les negaría el calor?. Tomada de aquí. |
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| Fig. 5.Ejemplo de detector de movimiento. Se puede usar para que el aparato realice una operación (alarma, encender luces, contactar con la policía, lo normal). |
- Control remoto/mando a distancia. Uno de los grandes placeres de la vida (o no) es cambiar el canal de la TV sin tener que ir hasta el aparato. Gracias a un pequeño led IR en el aparato, éste es capaz de emitir señales que son captadas por el receptor. En este caso no hay imagen porque puedes verla por tu cuenta, sólo necesitas tu teléfono inteligente y un control remoto/mando a distancia de TV, DVD o similar y sigue estos pasos:
- Pon la cámara de tu teléfono.
- Dirígela al control remoto/mando a distancia
- Aprieta algunos botones del control/mando y mira la pantalla de tu teléfono. Verás unos destellos rojos cada que presionas un botón.
- Puedes hacer lo mismo pero mirando directamente. En este caso no verás los destellos, aunque se siguen produciendo.
- Haz un video encendiendo o apagando botones del mando o haz una foto.
Fig. 6. En esta ocasión la imagen la has hecho tu.
- Visión nocturna. Se le llama así porque permite usar la vista en sitios donde la luz visible es escasa o nula (situación en la cual decimos que "está oscuro"). En este caso, el aparato hace lo mismo que nuestro teléfono: captura la luz infrarroja y la muestra como luz visible en una pantalla. Estos aparatos tuvieron aplicaciones militares en sus inicios y son divertidos cuando los puedes usar en la oscuridad, como se ve en la figura 7:
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| Fig. 7. Hey, Arnold!. Ustedes ya me entienden. |
- Espectroscopia de Infrarrojo. Dado que es una onda electromagnética, su rango de energía es muy similar a lo que necesitan algunas moléculas para rotar o vibrar. La técnica de la Espectroscopía tiene muchas variantes, y una de ellas se basa en la absorción de la radiación IR para su posterior emisión que luego será captada por un sensor; en este caso, la absorción y la emisión IR se debe a la vibración de las moléculas. Con esto podemos saber la composición de algunos materiales.
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| Fig. 8."Scissoring", un tipo de vibración molecular. Para saber más: Espectroscopía Infrarroja. |
Hornos Eléctricos
La siguiente aplicación es tan amplia que tiene sus propias categorías. Para esta parte me he asesorado con profesionales, en este caso, con DOSILET by InterCook fabricante de hornos que en 2020 cumple 60 años en el mercado (su web es dosilet.com), y que tuvieron a bien responder a mis preguntas; en particular agradezco a la Ing. Azucena Rodríguez, quien tuvo siempre la buena disposición y paciencia para responder a todas mis preguntas. Pero para que se vea la calidad, aquí dejo el primer ejemplo de sus productos:
Video 1. Para consentirnos un rato con un horno de Dosilet para toda la familia. Buen provecho.
Los hornos eléctricos son en su mayoría de los siguientes tipos, según el uso:
- Hornos UV/IR. Tienen aplicaciones industriales y se pueden utilizar sin necesidad de una cámara cerrada. La radiación se puede generar con resistencias eléctricas o con LEDs (según el uso o precio). Los LEDs o las resistencias se ponen en forma de matriz (una cuadrícula) y una banda móvil hace pasar el material a calentar por debajo o por arriba de dicha matriz. Mejor verlo en el video:
Video 2. Otro ejemplo industrial de horno UV/IR.
En el caso Dosilet, el horno está diseñado para ser usado en hostelería y tiene en cuenta las necesidades de espacio, consumo de energía, velocidad para calentar los alimentos y como se puede apreciar, para calentar justo como se necesita, en este caso, el horno está especializado en pizzas; evidentemente pueden diseñar tanto para otras aplicaciones particulares como más generales:
Video 3. Horno para aplicación especial: cocción de pizzas. En 90 segundos está el producto en su punto.
- Hornos de cámara cerrada. También hay UV/IR, pero suelen utilizar normalmente una resistencia eléctrica para generar calor por radiación y suelen utilizar ventiladores para crear corrientes de convección. Si además se utiliza una bandeja, esta se calentará haciendo que el calor pase a los objetos por contacto directo. Esta es la Física básica, a partir de aquí la ingeniería se encarga de diseñar el horno para el máximo aprovechamiento de todos los recursos. Un típico horno de cámara cerrada puede ir desde los conocidos hornos domésticos hasta grandes cámaras de varios metros de longitud. De hecho, yo trabajé en un horno de este tipo de unos 3m x 2m x 5m (o sea, unos 30 m3) para la fabricación prototipos de partes de automóvil.
En la fabricación de cualquiera de estos hornos es necesario conocer las necesidades caloríficas, el tiempo, la geometría y las propiedades físicas de los productos. Todo esto ayudará a determinar el tamaño, forma, disposición y materiales del horno para obtener un calor uniforme en el tiempo y en el espacio. No sobra decir que para hacer esto se tienen que resolver muchas ecuaciones :)
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| Fig. 9. Equations everywhere... |
Pero aquí no se acaban nuestras opciones. Aún nos queda pendiente el leit motive de estos posts: El horno de microondas.
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Radiación,
calor y hornos (V): El horno de microondas
Muchas gracias por compartir la información, me fue de gran ayuda.
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