Temperatura según el color

[Alex]

Holas a todos. Oberon, tu amigo tiene razon... y tú tambien. El calor (por radiación) se manifiesta fundamentalmente en la emisión del infrarojo. Digamos que tu sentirás mucho mas calor en tu mano si la pones cerca de una bombilla de infrarrojos que si la pones al sol que emite en frecuencias mucho mas altas y en mayor cantidad. Fijate que siempre nos estan recomendando no tomar el sol al mediodia ya que los RAYOS ULTRAVIOLETAS nos produciran cancer. Sin embargo tu sientes el mismo calor del sol, por muchos rayos ultravioleta que atraviesen tu cuerpo. En realidad sientes el calor que te dan los rayos infrarrojos. Los otros los ultravioletas lo que hacen es destruir tus celulas y tus tejidos, digamos que te "queman" esos tejidos y esas celulas, pro tu no sientes el calor de verdad. Este calor te lo dan los infrarrojos que claro esta se emiten al mismo tiempo que los ultravioletas. Otro ejemplo mas claro quizas es cuando te hacen una radiografía, en este caso te pasa una cierta canitdad de Rayos X por el torax, pero tu no notas la mas minima variación de temperatura, sin embargo han atravesado tu cuerpo ondas electromagneticas mucho mas energeticas que el infrarrojo.

[deeper_space]

Gracias Alex. Me pusiste ejemplos muy aclaratorios. En el fondo creo que todas mis dudas surgen del siguiente pensamiento. Corrígeme, por favor:

"La temperatura no es más que el grado de excitación de los electrones de un átomo. Si dicho átomo lo sometemos a una radiación, cuanto más energética sea esa radiación, más se excitarán los electrones de dicho átomo y más temperatura tendrán"

Pero está claro que mi razonamiento es erróneo por el simple ejemplo que pusiste con los Rayos-X de una radiografía. Pero no sé en qué punto estoy errado.

[Alex]

Holas. A grandes rasgos podemos decir que una particula puede emitir y/o absorver una cierta y concreta energía. Si tu emites energia con una determinada longitud de onda, puede ser que un atomo de hidrogeno, por ejemplo, no absorva nada de esa energia, por lo tanto no puede excitarse y emitir. Es decir, el atomo de H2 (o cualquier otra particula) solo absorve energia de una determinada longitud de onda, caracterisitica de cada elemento quimico, el resto de energia que no sea de esa longitud de onda no les afecta. Esto es la base fundamental de lo que conocemos como lineas de absorcion y de emisión. Cuando una cierta energia irradiada por ejemplo de una estrella atraviesa una nuebe de gas, solo una determinada longitud de onda de todo el espectro emitido,es absorvida por el gas de la nebulosa o de la nube de gas que sea. Esa energia absorvida excita los atomos de gas que inmediatamente vuelven a su estado original emitiendo esa misma energia en otra dirección. Por esto cuando tu recoges el espectro electromagnetico de la estrella en los espectografos, veras que hay un pequeño espacio vacío (una raya negra) y es justamente la frecuencia que el gas ha absorvido y ha vuelto a emitir en otra dirección. Si tu conoces por pruebas de laboratorio que frecuencias absorve cada gas, puedes conocer el gas que compone la nebulosa. Cada frecuencia se manifiesta de una manera distinta, luz (unas determinadas longitudes de onda) que tus ojos captan y traducen en visión PERO NO QUEMAN, el calor solo lo transmite la frecuencia conocida como INFRARROJOS que no la puedes ver pero si que te quema, digamos que la piel son los ojos del infrarrojo al igual que los ojos son la piel de la parte visible del espectro. Lo que ocurre es que si una estrella emite rayos gamma, emite todo el espectro, es decir tambien emite en infrarrojos y ondas de radio (en este caso las puedes escuchar) pero esas ondas no te queman y los rayos gamma tampoco pero estos pueden destruirte en un momento.

[deeper_space]

Ok, ya lo voy entendiendo. Entonces, hablar de Temperatura de color no tiene nada que ver con la temperatura de la que habitualmente hablamos, ¿no?

[HiPeRioNNN]

Hola deeper_space!!
Cuanto tiempo!!

La verdad es que es muy difícil explicarlo mejor de lo que lo ha hecho Alex (a quien tb saludo, porque recuerdo a un Alex de mi anterior temporada de frikismo pero no se si es el mismo xD) pero, por si sirve de algo, intentaré rellenarlo un pokillo.

Que yo sepa, en el espectro electromagnético se habla intrínsecamente de "Bajas o Altas Energías", según si se trata de "Bajas o Altas Frecuencias". Todo esto lo explicó Rydberg en su momento haciendo referencia a la "Energía del Electrón en su orbital". Por tanto hay que aclarar un concepto: ¿quien porta la "Temperatura", el electrón o el átomo en su conjunto?

Pues, según tengo entendido, es un balance entre ambas cosas. Fíjate en lo siguiente: imagina un electrón en un átomo cualquiera y en su órbita número 6 (del 0 al 10, por no ponernos ahora a emplear términos cuánticos), y que ese electrón por lo que sea se baja a la órbita 3 -se aproxima al núcleo-; en el orbital 3 el núcleo necesita menos "Fuerza" para que no se le escape el electrón, por lo tanto este orbital es un orbital de "Baja Energía" comparada con 6. Al pasar de un orbital de Alta Energía a uno de Baja, el electrón EMITE FOTONES (uno, dos, o los que sean). Análogamente se deduce lo contrario: si el electrón sube niveles es porque ha sido capaz de Absorver Energía.
El estudio Espectrográfico sobre una estrella se realiza siempre con el ESPECTRO DE ABSORCION, y cada linea vertical coloreada significa que, a esa frecuencia, la energía se EMITIRÍA, y en las lineas verticales oscuras (las bandas) las frecuencias dadas se ABSORVERIAN.

La relación entre la Energía cinética de un átomo con la Temperatura que porta es (si es que no hay otra que desconozca): Ec=1/2*k*T (donde k=cte característica de cada partícula y T=temp).
Y por eso decía yo que es un balance entre ambas cosas, pues la Ec es la media del átomo como conjunto, de modo que se tiene en cuenta tb la acción o estado del electrón (cuya influencia sobre el núcleo, más que por su despreciable masa, sucede por interacciones magnéticas que no vienen a cuento). La cuestión es que todo esto significa lo siguiente:

*Nos podemos encontrar en el INFRARROJO con electrones poco excitados y átomos con mucha mobilidad-> cuerpo caliente.
*En el INFRARROJO podemos tener electrones muy excitados (tampoco mucho más que en el caso anterior) y átomos con poca mobilidad-> cuerpo frío. Piensa, en este punto, que no todos los materiales tienen su infrarrojo a la misma Temperatura, y aunque una barra de Latón, de Aluminio o de Hierro te pueden quemar, alcanzan el infrarrojo a distintas temperaturas.
*En el ULTRAVIOLETA podemos tener electrones poco excitados (pero mucho más que en el infrarrojo) y átomos con mucha mobilidad-> cuerpo caliente (me juego lo que quieras que una barra de Hierro en color blanco, azul o amarillo también quema ).
*En el ULTRAVIOLETA podemos tener electrones muy excitados con átomos con poca mobilidad-> cuerpo frío (en los tubos ultravioleta, los átomos de Neón -si no recuerdo mal- no tienen mobilidad muy exagerada y por eso no quema, pero el océano de electrones en el que están sumergidos digamos que tiene oleajes muy exagerados).

Estos casos representan algo muy exagerado, pues he sometido los conceptos de electrón y átomo a entornos límites y bien diferenciados. Pero por dar una opinión personal yo diría que en efecto, la radiación de un cuerpo es fiel representante de su temperatura. Tu notas calor porque las partículas de tu cuerpo comienzan a moverse un poco más aceleradas, pero el hecho de que los rayos X te atraviesen no resta significado a ésto: muchos "rayos" te atraviesan, cierto, pero otros muchos chocan con partículas de tu cuerpo, y no se molestan en transmitirse energía cinética ni historias de esas sino que directamente te las destruyen (de ahí el peligro de los cánceres). En todos los casos estamos hablando de PARTICULAS QUE SE MUEVEN de forma creciente desde el infrarrojo hacia el ultravioleta; otra cosa es lo que tú interpretes como "calor"o "aniquilación directa". XDD

Fíjate en que todas las partículas cumplen el principio de dualidad onda-corpúsculo, es decir, que la luz es una partícula (fotón) que tiene estado de onda durante su mayor parte del tiempo (por eso es capaz de girar esquinas) pero en breves (muuuy breves) instantes adopta forma de corpúsculo (y por eso podemos "tocar" la luz, al producir una sombra). En esto, aunque parezca mentira, ya cayó Newton en su momento, pero no tuvo herramientas adecuadas para la investigación. Lo que intento decir es que las partículas que nos forman tanto a tí como a mí también tienen sus pequeños "instantes" como ondas, aunque en su mayor parte del tiempo son corpúsculos, y lo mismo ocurre con todos los elementos existentes. Nosotros también tenemos un Espectro Electromagnético, pero imagínate a qué frecuencias tan bajas, y sólo entraríamos en el infrarrojo (que creo que no puede ser) a partir de cierta temperatura.

Concluyendo diría lo siguiente: si por el color de un cuerpo pretendes obtener su temperatura creo que te desviarás mucho de lo correcto (esto lo ha dejado claro Beam, si no me equivoco), pero si entiendes que la Temperatura de un conjunto de partículas como representante de su Energía cinética media tiene que ver con la parte del espectro en la que se emitiría o absorvería, entonces yo diría, pese en casos excepcionales, que le has ganado la partida a tu colega.

Espero no haber taladrado demasiado con un tema que parecía ya solucionado ejejjeje.

De nuevo: un saludo!!

[deeper_space]

¡Qué grato es volver a saber de tí!
Muchas gracias por tan extensa respuesta. Alex, mamuso, Oberon, Beam y Jomlop han tenido la paciencia de aclararme todo este embrollo que tenía. Además tú has puesto la guinda. Si alguna duda me quedaba, se ha esfumado. Gracias a todos por vuestras respuestas.

[Alex]

Hola a todos nuevamente. deeper-space pregunto mas o menos por la temperatura de color:

Entonces, hablar de Temperatura de color no tiene nada que ver con la temperatura de la que habitualmente hablamos, ¿no?

Antes de nada, definir que: la temperatura del cuerpo negro en el que la distribución relativa de la energía en cierto tramo del espectro es la misma que la del cuerpo dado, se denomina TEMPERATURA DE COLOR del cuerpo Si, también, como ha dicho otro forero muy acertadamente, la temperatura es una característica de la energía cinética media de una partícula de la sustancia, pues nos imaginamos las dificultades que hay para determinar la temperatura de una estrella (hasta el punto de que hoy es uno de los problemas principales de los científicos). Por eso hay que tener en cuenta los distintos métodos para calcular la temperatura de las estrellas. El más sencillo es por la anchura de las rayas espectrales, (aplicación directa de la fórmula):

T=[(mc^2)/2k][Inc.L/L]^2

donde k=constante de Boltzmann. C=velocidad de la luz. L=longitud de onda. Inc.L= anchura doppler de la raya escpectral

Pero esta fórmula solo es aplicable, si por las observaciones podemos conocer la anchura Doppler de las rayas espectrales de radiación o absorción además de que ha de darse que la capa de gas de la estrella sea ópticamente fina (no haya autoabsorción) y que sus átomos solamente tengan movimientos térmicos. Esto es tan raro de obtener que este método no es nada exacto, es mas para que sea aceptado hay que probar primero que se dan las condiciones indicadas y esto puede ser mas complicado que determinar la temperatura por otros métodos.

Otro sistema para determinar la temperatura es basándose en el estudio de los procesos atómicos elementales que conducen al surgimiento de la radiación observada (este es el mas utilizado cuando se puede o se conocen estos procesos). Y otro método es por la Ley de Plank –radiación de un cuerpo negro- (desarrolladas por Wien y Stefan-Boltzmann, -maximo de radiación y flujo total de energia) pero esto también tiene sus problemas.

Para no complicar las cosas fijaros en la temperatura del SOL.

METODO:
Máximo de radiación (Ley de Wien) 6750ºK

METODO: (Temperatura efectiva) [(T^4).ro=E] donde E=energia total radiada por cm.cuadrado. ro=constante de Stefen Boltzmann
Flujo total de radiación (Ley de Stefen-Boltzmann) 5770ºK

METODO: (Temperatura de brillo)
Intensidad de la radiación monocromática (Ley de Plank):
Para longitud de onda de 1000Ä 4500ºK
Para longitud de onda de 2500Ä 5000ºK
Para longitud de onda de 5500Ä 6400ºK

METODO: (Temperatura de color)
Distribución relativa de la energía por intervalo, (Ley de Plank)
4700-5400Ä 6500ºK
4300-4700Ä 8000ºK

Como se ve este desaguisado de temperaturas llevan a los científicos a las siguientes conclusiones:

1.- La radiación del SOL no se corresponde con la radiación de un cuerpo negro, ya que si así fuese las tres temperaturas serían iguales.

2.-La temperatura de la sustancia solar varía con la profundidad, ya que la opacidad de los gases considerablemente calentados es distinta para las diferentes longitudes de onda

3.- Que la mayor parte de la sustancia solar esta muy ionizada, es decir que el Sol viene a ser un plasma y solamente una fina capa cerca del borde visible presenta una ionización débil y predomina hidrogeno neutro.

…l Y esto pasa con el SOL!! imaginaros de estrellas que ni siquiera se conocen su masa ni su radio.

[HiPeRioNNN]

Mola mucho Alex!
Enhorabuena por tu explicación, me ha parecido muy didáctica.

Si no es molestia me gustaría que me aclararas un concepto (mi condición de aficionado simple requiere que me asegure de los conceptos que aprendo), que viene de lo siguiente:

la temperatura del cuerpo negro en el que la distribución relativa de la energía en cierto tramo del espectro es la misma que la del cuerpo dado, se denomina TEMPERATURA DE COLOR del cuerpo

Entiendo que, como cuerpo negro, pese que ya he oido bastantes interpretaciones, se considera a una partícula o cuerpo de la que podemos obtener su frecuencia exacta de emisión, sea la distancia que nos separa de él. Entiendo que la frecuencia que emite nuestro sol no se corresponde con la que nos llega a nosotros por fenómenos de "autoabsorción", es decir, por pérdidas. Por tanto recurrimos a distintos métodos para "estimar" la temperatura verdadera.

Dime, por favor, si me confundo en algo.

Bueno, mi pregunta es: ¿se puede hacer una analogía de este concepto con el Segundo Principio de la Termodinámica?
La idea viene de lo siguiente: el 2ºPTerm dice que no todo el calor Q aportado a un sistema se puede invertir íntegramente en W, por cuestión de pérdidas. Esto es algo inviolable en la Naturaleza (un móbil perpetuo de segunda especie que no puede existir).
Entonces, con lo del cuerpo negro pasa lo mismo, ¿cierto? El cuerpo negro no puede existir porque es imposible eliminar las pérdidas, ¿o no es así? Las pérdidas serían ocasionadas, mínimamente necesario, por la elasticidad espacial que absorbería parte de la energía que porta la onda.

Me gustaría comentar, si no es desagrado de nadie desviarnos del tema principal propuesto por deeper_space, el concepto que tengo yo de cuerpo negro (diferente del que entiendo de tí, pero no demasiado), pero eso lo haré en otro post y si es gusto de alguien que lo plantee.

Un saludo!

[Jomlop]

No es así, una onda tiene varias características una es la longitud de onda que es la separación entre dos máximos o dos mínimos (es igual), esta intimamente relacionada con la frecuencia que es el número de maximos que pasan por unidad de tiempo y otro es la intensidad que es el tamaño de la onda.

Cuando una onda es atenuada resulta que su frecuencia permanece constante, lo que cambia es su amplitud, que baja.

Lo que sucede con la luz es que es una onda pero que no puede ser atenuada, lo que pasa es que tenemos una cantidad determinada de fotones viajando en una dirección, parte de ellos pueden ser absorvidos (totalmente) y por tanto la intensidad global del haz de luz es menor (pero la amplitud de cada uno sigue igual, lo que pasa es que hay menos) y siempre mantienen su frecuencia (color) que no cambia por procesos de absorción.

Otro fenomeno de "atenuación" de la luz que tenemos que tener en cuenta es que del Sol sale una determinada cantidad de luz por segundo y esa luz se reparte por esferas centradas en el Sol. La superficie de esas esferas es cada vez mayor y la luz que les corresponde es siempre la misma por lo que la intensidad del haz de luz va bajando (pero no la amplitud ni la frecuencia de la luz)

En cuanto a la analogía no se que decirte, creo que esta mal planteado, no existe "elasticidad espacial", la luz es una onda que no necesita medio para transmitirse, no necesita el famoso eter, elástico e hiperrígido que sería necesario para transmitir una onda a esa velocidad, lo que se transmite es el valor de los campos eléctricos y magnéticos. Además para poder explicar un cuerpo negro necesitas aplicar fisica cuántica que es dificil de relacionar con la termodinámica (de ello se encarga la mecánica estadística)

No se si lo dejo claro, si algo no se entiende ya sabes

Saludos

[Alex]

Entiendo que, como cuerpo negro, pese que ya he oido bastantes interpretaciones, se considera a una partícula o cuerpo de la que podemos obtener su frecuencia exacta de emisión, sea la distancia que nos separa de él. Entiendo que la frecuencia que emite nuestro sol no se corresponde con la que nos llega a nosotros por fenómenos de "autoabsorción", es decir, por pérdidas. Por tanto recurrimos a distintos métodos para "estimar" la temperatura verdadera.

No se cuantas interpretaciones de cuerpo negro has escuchado o estudiado, pero en realidad solo hay una, lo que ocurre es que es difícil condensar en tan poco espacio como es un post. Pero si eres estudiante de física lo puedes comprender mas o menos fácilmente.

Naturalmente, estamos hablando de radiación térmica, es decir estamos hablando de la energía electromagnética emitida por un cuerpo como consecuencia de su temperatura. Esto quiere decir que todos los cuerpos emiten radiación aunque estén mas o menos fríos, conforme se van calentando emiten energía en frecuencias más energéticas o de mayor frecuencia y a ciertas temperaturas emiten energías e frecuencia del espectro visible (colores) y conforme se van calentando las frecuencias van aumentando y por eso nuestros ojos captan primero el rojo y conforme se va aumentando la temperatura vas viendo otros colores hasta el violeta, pero si sigues calentando pueden emitir en rayos X y tu ya no ves el color porque ha sobrepasado la banda de frecuencias visibles, al igual que cuando están fríos no puedes ver la radiación porque no han llegado a la frecuencia mínima del espectro visible, pero si que están emitiendo en ondas de radio o infrarrojos por ejemplo (no ves el color pero puedes sentir el calor de la radiación que esta emitiendo).

Si metieses un cuerpo dentro de una cavidad (horno hermético, por ejemplo), con paredes totalmente reflectantes y el cuerpo esta totalmente aislado de las paredes y si además admites que las paredes reflectantes de la cavidad mantienen temperaturas constantes, emitiendo la correspondiente radiación térmica, verás que parte de esa energía es reflejada por el cuerpo del interior y otra parte es absobida por el cuerpo y de ésta otra pequeña parte será emitida al exterior, bien por transmisión simple o tras múltiples reflexiones. El calentamiento del cuerpo hará que éste a su vez emita radiación que distribuirá por la cavidad y se reflejará por las paredes. Se establecerá por tanto un intercambio energético entre el cuerpo y la cavidad EXCLUSIVAMENTE por radiación ya que no pueden tener lugar procesos de convección o de conducción por no existir sustrato material entre el cuerpo y las paredes de la cavidad. Finalmente se establecerá el EQUILIBRIO TERMICO CUANDO EL CUERPO EMITA LA MISMA CANTIDAD DE ENERGIA QUE ABSORBE (esto quiere decir que no refleja ninguna energía sino que la absorbe toda y la irradia toda). En este caso la temperatura del cuerpo será la misma que la de las paredes de la cavidad. UN CUERPO ASI ES UN CUERPPO NEGRO, es decir es el cuerpo que ABSORBE TODA LA ENERGÍA Y LA IRRADIA. Se supone que el interior de las estrellas se dan las condiciones de cuerpo negro, es decir que las capas absorven toda la energia que les llega del núcleo y a su vez la irradian en su totalidad.

Se define IRRADIANCIA ESCPECTRAL (I) como la potencia de la radiación termica INCIDENTE sobre el cuerpo, por unidad de superficie en el intervalo de frecuencias (v, v+dv). Si llamamos (av) la fracción de (I), que el cuerpo absorbe y que se llama poder absorbente. Y si llamamos (Rv) a la RADIANCIA ESPECTRAL, eso es, la potencia de la radiación térmica que el cuerpo emite por unidad de superficie, con frecuencia comprendida entre (v, v+dv). En el equilibrio se cumplirá que:

Rv=(av)(I)

Si ahora supones que hay mas de un cuerpo dentro de la cavidad y todos ellos estan en equilibrio termico se dará la siguiente relación:

(I)=Rv1/av1=Rv2/av2=Rv3/av3=… (Esta ley es conocida como la ley de Kirchoff) y nos indica que para CADA FRECUENCIA el cociente entre la potencia emitida por unidad de superficie y el poder absobente es el mismo para todos los cuerpos (en el equilibrio) e igual a la irradiancia de la radiación térmica de la cavidad. Esto tambien implica que un cuerpo absorbente es un cuerpo emisor y LOS CUERPOS NEGROS SON LOS ABSORVENTES PERFECTOS (av=1), para estos cuepos R=I

Un cuerpo negro puede ser por ejemplo un horno con paredes reflectantes mantenidas a TEMPERATURA CONSTANTE y al que hacemos un pequeño orificio para que irradie por ese agujero la energía de su interior. Si el agujero es muy insignificante en comparación con el área de la cavidad o del horno, puede valernos como cuerpo negro, donde el agujero se comportará como un absorbente perfecto (puesto que irradia toda la energía que absorbe del interior del horno). Si suponemos un agujero de superficie la unidad, la relación simple que existe entre la RADIANCIA (Rv) de la radiación térmica emitida por el orificio, en función de T (temperatura) y la DENSIDAD ESPECTRAL (Ro) en función de T, contenida en la cavidad a temperatura absoluta T, PARA CADA FRECUENCIA será:

Rv(T)=c.Ro(T)/4, donde c=velocidad de la luz

Esta relación se cumple para cualquier cuerpo negro en equilibrio térmico. De hecho LA DENSIDAD ESPECTRAL DE LA ENERGIA (Ro) DE LA RADIACIÓN TERMICA EN EL INTERIIOR DE UNA CAVIDAD QUE CONTIENE DIVERSOS CUERPOS ES TOTALMENTE INDEPENDIENTE DE LAS PROPIEDADES Y FORMAS DE LOS CUERPOS (incluyendo las paredes de la cavidad). POR ESTO EL ESPECTRO DE RADIACIÓN TERMICA EMITIDO POR UN CUERPO NEGRO EN EQUILIBRIO TÉRMICO POSEE CARACTERÍSITCAS UNIVERSALES. LA RAZON DE ESTA SORPRENDENTE INDEPENDENCIA PRECISAMENTE SE APOYA EN EL SEGUNDO PRINCIPIO DE TERMODINAMICA, al que aludes.

Si suponemos que (Ro) en el equilibrio dependiese de la naturaleza de los cuerpos que se encuentran en el interior de la cavidad. Entonces, si disponemos de dos sistemas en equilibrio a la misma temperatura y los comunicamos entre sí, romperíamos dicho equilibrio (puesto que la naturaleza de los cuerpos del interior serían distintas). Se produciría asi una diferencia de temperatura entre los dos sistemas que podría ser empleada en la construcción de un móvil perpetuo de segunda especie, lo cual es imposible.

Disculpad la extensión del post. Saludos.