Experimento de Herschel en la banda infrarroja

CALOR Y TEMPERATURA
Cuando hablamos del infrarrojo y de la astronomía infrarroja por infrarrojo entendemos una
medida de calor (o de radiación térmica). En este módulo vamos a introducir los conceptos de
calor y temperatura, transferencia de calor y su detección. También vamos a presentar varios
ejemplos de qué podemos aprender detectando el calor y midiendo la temperatura, incluyendo
enlaces a diferentes actividades para hacer en clase.
Qué es el Calor y Cómo se Produce?
Cómo Detectamos el Calor?
Qué es la Temperatura?
Cómo Medimos la Temperatura?
En Qué se
Temperatura?
Diferencian
Calor
y
Qué
Podemos
Aprender
Radiación Térmica?
de
la
Cómo Viaja el Calor?
Actividades para Clase y Experimentos
QUE ES CALOR Y CÓMO SE PRODUCE
El Universo está hecho de materia y energía. La materia está compuesta de
átomos y moléculas (que son grupos de átomos) y la energía hace que los
átomos y las moléculas estén en constante movimiento - rotando alrededor
de si mismas, vibrando o chocandose unas con otras. El movimiento de los
átomos y moléculas crea una forma de energía llamada calor o energía
térmica, que está presente en todo tipo de materia. Incluso en los vacios
más frío de espacio hay materia que posee calor, muy pequeño pero
medible.
La energía puede presentarse de muy diferentes formas y pude cambiar de una a otra. Muchos
tipos de energía pueden convertirse en calor. La energía electromagnética (luz), la
electrostática (o eléctrica), la mecánica, la química, la nuclear, el sonido y la térmica, pueden
calentar una sustancia haciendo que se incremente la velocidad de sus moléculas. Si ponemos
energía en un sistema éste se calienta, si quitamos energía se enfría. Por ejemplo, si estamos
fríos podríamos ponernos a saltar para entrar en calor.
Estos son algunos algunos ejemplos de los diferentes tipos de energía que pueden convertirse
en energía térmica (calor).
(1) La energía mecánica se convierte en energía térmica siempre que botamos una pelota.
Cada vez que la pelota rebota en el suelo parte de la energía de su movimiento (energía
cinética) se convierte en calor, haciendo que la pelota cada vez rebote menos. Para ver una
demostración de cómo pasa esto pulse aquí (Inglés)
Imagen térmica infrarroja de una pelota de tenis antes (izquierda) y después (derecha) de ser
golpeada
por
la
raqueta.
Imagen cortesía de K.-P. Möllmann y M. Vollmer, Universidad de Ciencias Aplicadas,
Brandenburg/Germany
(2) La energía térmica puede ser transferida de unos objetos a otros haciendo que se calienten.
Cuando calentamos agua en una cazuela, el calor de la estufa hace que las moléculas de la
cazuela empiecen a vibrar más deprisa, haciendo que la cazuela se caliente. El calor de la
cazuela hace a su vez que las moléculas de agua se muevan más deprisa calentándose. Por lo
tanto cuando calentamos algo no estamos más que incrementando la velocidad de sus
moléculas.
(3) La energía eléctrica se convierte en energía térmica cuando usamos estufas eléctricas,
tostadores o bombillas.
(4) Nuestros cuerpos convierten a energía química de los alimentos que comemos en calor.
(5) La luz del Sol se convierte en calor y hace que la superficie de la Tierra esté caliente.
Existen muchos otros ejemplos. Puedes pensar en algún otro?
Cuanta más energía se mete en un sistema, más activas se ponen sus moléculas. Cuanto más
rápidas se mueven las moléculas, más energía térmica o calor producen. La cantidad de calor
en una sustancia está determinada por qué tan rápido se mueven sus moléculas, que a su vez
depende de cuánta energía tiene el sistema.
ACTIVIDAD:
Haga que los estudiantes se comporten como moléculas. Primero hágales estarse quietos y
cerca unos de otros. Entonces haga que los estudiantes empiezen a moverse por la habitación
a medida que entra más energía en el sistema. Haga entonces que los estudiantes se paren y
noten donde se encuentran. Deberán estar más lejos unos de otros y sentirse más calientes
que cuando empezaron.
A pesar de que las moléculas son demasiado pequeñas para ser vistas, podemos detectar y
medir su movimiento.
EXPERIMENTO:
Para hacer este experimento necesitamos dos recipientes tranparentes de agua y colorante
alimenticio. Llene un recipiente de agua caliente y otro de agua fría (con la misma cantidad de
agua). Cuando el agua esté quieta ponga una gota de colorante alimenticio en el centro del
recipiente. A medida que las moléculas de agua chocan con las moléculas del colorante, el
colorante se expandirá. Como las moléculas del agua caliente se mueven más deprisa,
chocarán con las moléculas de colorante con más fuerza y más frecuentemente, haciendo que
el colorante se esparza más rapidamente en el agua caliente que en el agua fría.
Resumen: El calor es la energía que tiene un objeto debida al movimiento de sus
átomos y moléculas que están constantemente vibrando, moviendose y chocando unas con
otras. Cuando añadimos energía a un objeto, sus átomos y moléculas se mueven más deprisa,
incrementando su energía de movimiento o calor. Incluso los objetos más fríos poseen algo de
calor porque sus átomos se están moviendo.
QUE ES LA TEMPERATURA
Los átomos y moléculas en una sustancia no siempre se mueven a la misma velocidad. Esto
significa que hay un rango de energía (energía de movimiento) en las moléculas. En un gas,
por ejemplo, las moléculas se mueven en direcciones aleatorias y a diferentes velocidades algunas se mueven rápido y otras más lentamente.
Dibujo de Doris Daou
La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las
partículas en una sustancia. Como lo que medimos en sus
movimiento medio, la temperatura no depende del número de
partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño.
Por ejemplo, la temperatura de un cazo de agua hirviendo es la
misma que la temperatura de una olla de agua hirviendo, apesar
de que la olla sea mucho más grande y tenga millones y
millones de moléculas de agua más que el cazo.
Nosotros experimentamos la temperatura todos los días. Cuando hace calor o cuando tenemos
fiebre sentimos calor y cuando está nevando sentimos frío. Cuando estamos hirviendo agua,
hacemos que la temperatura aumente y cuando estamos haciendo polos o paletas de helado
esperamos que la temperatura baje.
Dibujo de Doris Daou
EXPERIMENTO:
Llena un contenedor grande y otro pequeño de agua tibia. Mide la temperatura de los dos y
apunta tus resultados. Haz lo mismo con agua caliente o fría utilizando contenedores de
diferente tamaño.
Para
más
información
sobre
http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/tmp.html
la
temperatura
ver:
Resumen: La temperatura es una medida de la energía media de las moléculas en una
sustancia y no depende del tamaño o tipo del objeto.
EN QUE SE DIFERENCIAN CALOR Y TEMPERATURA
Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. Amenudo
pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la
temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes.
El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es
una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas,
su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo.
Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la
temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo
tanto más energía térmica total.
ACTIVIDAD:
Piensa cuál es la respuesta a las siguiente pregunta: Qué objeto contiene más calor, un
recipiente de agua hirviendo o un iceberg gigante?
Pulsa aquí para obtener la respuesta.
El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la
temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye. Las temperaturas más altas
tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor energía.
Si tomamos dos objetos que tienen la misma temperatura y los ponemos en contacto, no habrá
transferencia de energía entre ellos porque la energía media de las partículas en cada objeto
es la misma. Pero si la temperatura de uno de los objetos es más ala que la otra, habrá una
transferencia de energía del objeto más caliente al objeto más frío hasta que los dos objetos
alcancen la misma temperatura.
La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calor sí es energía.
CÓMO VIAJA EL CALOR
El calor puede transferirse de un lugar a otro por tres métodos diferentes: conducción en
sólidos, convección en fluidos (líquidos o gases) y radiación a través de cualquier medio
transparente a ella. El método elegido en cada caso es el que resulta más eficiente. Si hay una
diferencia de temperatura el calor siempre viajará del lugar más caliente al más frío.
CONDUCCIÓN:
Imagen térmica infrarroja de dos tazas de
café llenas de un líquido caliente. Note
como el calor del líquido hace que las
tazas brillen. El calor se transfiere del
líquido caliente a las tazas por
conducción.
La conducción tiene lugar cuando dos objetos a
diferentes temperaturas entran en contacto. El
calor fluye desde el objeto más caliete hasta
más frío, hasta que los dos objetos alcanzan a
la misma temperatura. La conducción es el
transporte de calor a través de una sustancia y
se produce gracias a las colisiones de las
moléculas. En el lugar donde los dos objetos se
ponen en contacto, las moléculas del objeto
caliente, que se mueven más deprisa,
colisionan con las del objeto frío, que se
mueven más despacio. A medida que
colisionan las moléculas rápidas dan algo de su
energía a las más lentas. Estas a su vez
colisionan con otras moléculas en el objeto frío.
Este proceso continúa hasta que la energía del
objeto caliente se extiende por el objeto frío.
Algunas sustancias conducen el calor mejor
que otras. Los sólidos son mejores conductores
que los líquidos y éstos mejor que los gases.
Los metales son muy buenos conductores de
calor, mientras que el aire es muy mal
conductor. Puede experimentar como el calor
se transfiere por conducción siempre que toca
algo que está más caliente o más frío que su
piel, por ejemplo cuando se lava las manos en
agua caliente o fría.
CONVECCIÓN:
En líquidos y gases la convección es
usualmente la forma más eficiente de
transferir calor. La convección tiene lugar
cuando áreas de fluido caliente
ascienden hacia las regiones de fluido
frío. Cuando ésto ocurre, el fluido frío
desciende tomando el lugar del fluido
caliente que ascendió. Este ciclo da
lugar a una continua circulación en que
el calor se transfiere a las regiones frías.
Puede ver como tiene lugar la
convección cuando hierve agua en una
olla. Las burbujas son las regiones
calientes de agua que ascienden hacia
las regiones más frías de la superficie.
Probablemente usted este familiarizado
con la expresión: "el aire caliente sube y
el frío baja" - que es una descripción de
el fenómeno de convección en la
atmósfera. El calor en este caso se
transfiere por la circulación del aire.
Imagen térmica infrarroja mostrando como
hierve el aceite en una sartén. El aceite está
tranfiriendo calor hacia fuera de la sartén por
convección. Note las partes calientes (amarillas)
de aceite caliente ascendente y las partes frías
del aceite que desciente. Imagen cortesía de K.P. Möllmann and M. Vollmer, Universidad de
Ciencias Aplicadas Brandenburg/Germany.
RADIACIÓN:
Imagen térmica infrarroja del centro de
nuestra galaxia. Este calor, procedente de
numerosas
estrellas
y
nubes
interestelares, ha viajado unos 24,000
años
luz
(aproximadamente
240,000,000,000,000,000 km!) a traves
del espacio en forma de radiación hasta
llegar a nuestros telescopios infrarrojos.
Tanto la conducción como la convección
requieren la presencia de materia para
transferir calor. La radiación es un método de
transferencia de calor que no precisa de
contacto entre la fuente y el receptor del calor.
Por ejemplo, podemos sentir el calor del Sol
aunque no podemos tocarlo. El calor se puede
tranferir a través del espacio vacío en forma de
radiación térmica. Esta, conocida también como
radiación infrarroja, es un tipo de radiación
electromagnética (o luz). La radiación es por
tanto un tipo de transporte de calor que
consiste en la propagación de ondas
electromagnéticas que viajan a la velocidad de
la luz. No se produce ningún intercambio de
masa y no se necesita ningún medio.
Los objetos emiten radiación cuando electrones
en niveles de energía altos caen a niveles de
enrgía bajos. La energía que se pierde es
emitida en forma de luz o radición
electromagnética. La energía aborbida por los
átomos hace que sus electrones "salten" a
niveles de energía superiores. Todos los
objetos absorben y emiten radición. ( Este es
un "applet" de java que muestra como un átomo
absorbe y emite radición). Cuando la absorción
de energía está equilibrada con la emisión, la
temperatura del objeto permanece constante. Si
la absorción de energía domina, la temperatura
del objeto aumenta, si la emisión domina, la
temperatura disminuye.
CÓMO DETECTAMOS EL CALOR
Hay muchas formas de detectar el calor. El método a elegir depende de la fuente de calor; por
ejemplo, no es lo mismo detectar el calor del aire, que el del fuego o el de un objeto en el
espacio.
Todos sentimos diferentes niveles de calor. Nuestra piel es un buen detector de calor que nos
permite interpretar el movimiento molecular medio en un objeto como una sensación de frío o
calor. Pero nuestra piel no siempre nos da medidas consistentes del calor.
ACTIVIDAD:
Toma 3 recipientes de agua - en una muy fría, en otra tibia y en la otra muy caliente (pero no te
quemes!). Pon una mano en el agua caliente y otra en el agua muy fría por 5 segundos y
después pon ambas manos en el recipiente templado. Notarás que el agua templada se sentirá
caliente en la mano que estaba antes en el agua fría y fría en la que estaba caliente. Nuesta
piel nos da información sobre la diferencia de temperaturas entre la piel y el objeto que
estamos tocando, pero no nos proporciona una medida de la temperatura en si.
Para ésto necesitamos instrumentos especiales que pueden medir de forma precisa el calor,
como un termómetro. Los termómetros y los otros instrumentos para medir la temperatura se
usan para obtener una medida cuantitativa del movimiento medio de las moléculas en la
sustancia. Asignan a este movimiento molecular medio un número de grados a los que
llamamos temperatura.
Todos nosotros hemos usado termómetros para medir el calor, pero algunas veces
necesitamos medirlo en sitios donde no podemos poner un termómetro, como por ejemplo en
el espacio, en metales fundidos y en fuegos calientes. En estas situaciones necesitamos
instrumentos que nos permitan medir el calor sin tocar la fuente de energía. Estos instrumentos
miden la radiación térmica que es emitida por la fuente de calor. Ejemplos de estos tipos son
las cámaras y detectores infrarrojos.
Conjunto
de
detectores
infrarrojo para medir el calor
procedente de objetos en el
Cámara
térmica
infrarroja para tomar
imágenes del calor.
Termómetro
exterior
espacio.
para medir la energía
térmica media en el aire.
En el sistema métrico el calor se mide en unidades llamadas julios, en el sistema británico se
mide en Unidades Térmicas Británicas (BTU). El calor también se puede medir en calorias.
La unidad Julio fue nombrada en honor del físico Inglés James Prescott
Joule (1818 - 1889), descubridor de que el calor es un tipo de energía.
El experimento de Joule fue muy importante porque demostró que
podemos calentar agua sin necesidad de usar fuego. En un recipiente con
agua y con un termómetro para controlar su temperatura, Joule hizo girar
vigorosamente un molinillo. Después de un rato se dio cuenta de que la
temperatura del agua aumentaba. Trás de repetir el experimento muchas
veces llegó a la conclusión de que 4.19 Julios de trabajo eran necesarios
para subir la temperatura de un gramo de agua un grado Celsius.
Un BTU es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de una libra de agua un
grado Fahrenheit.
1 BTU = 1,000 Julios
Una caloría es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de un gramo de agua
un grado Celsisus.
1 caloría (cal) = 4.186 Julios
PROBLEMA:
Una chocolatina tiene 150 calorías por racción y cada chocolatina tiene dos racciones. Cuántos
Julios tiene?
Cuántas calorías necesitamos para calentar dos gramos de agua de 20 a 22 grados Celsius?
CÓMO MEDIMOS LA TEMPERATURA
Se han inventado muchos instrumentos para medir la temperatura de forma precisa. Todo
empezó con el establecimiento de una escala de temperaturas. Esta escala permite asignar un
número a cada medida de la temperatura.
A principios del siglo XVIII, Gabriel Fahrenheit (1686-1736) creó la escala Fahrenheit.
Fahrenheit asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 32 grados y al punto
de ebullición una de 212 grados. Su escala está anclada en estos dos puntos.
Unos años más tarde, en 1743, Anders Celsius (1701-1744) inventó la escala Celsius. Usando
los mismos puntos de anclaje Celsius asignó al punto de congelación del agua una temperatura
de 0 grados y al de ebullición una de 100 grados. La escala Celsius se conoce como el Sistema
Universal. Es el que se usa en la mayoría de los paises y en todas las aplicaciones científicas.
Hay un límite a la temperatura mínima que un objeto puede tener. La escala Kelvin está
diseñada de forma que este límite es la temperatura 0. La relación entre las diferentes escalas
de temperatura es la siguiente:
o
K = 273.15 + oC
o
C = (5/9)*(oF-32)
o
F = (9/5)*oC+32
Para ir de una escala a otra puede usar esta
calculadora para convertir temperaturas
(Inglés).
A la temperatura del cero absoluto no hay
movimiento y no hay calor. Es cuando todo
el movimiento atómico y molecular se
detiene y es la temperatura más baja
posible. El cero absoluto tiene lugar a 0
grados Kelvin, -273.15 grados Celsius o 460 grados Farenheit. Todos los objetos
tienen una temperatura más alta que el cero
absoluto y por lo tanto emiten energía
térmica o calor.
o
F
o
C
o
K
El agua hierve a
212
100
373
Temperatura Ambiente
72
23
296
El agua se congela a
32
0
273
-460
-273
0
Si queremos entender qué significa la Cero Absoluto
temperatura a nivel molecular debemos
recordar que la temperatura es la energía
media de las moléculas que componen una sustancia. Los átomos y las moléculas no siempre
se mueven a la misma velocidad. Esto significa que hay un rango de energías entre ellas. En
un gas, por ejemplo, las moléculas se mueven en direcciones aleatorias y a diferentes
velocidades - algunas se mueven rápido y otras más lentamente. A veces estas moléculas
colisionan entre si. Cuando esto tiene lugar las moléculas que se mueven más deprisa
transfieren parte de su energía a las que se mueven más despacio, haciendo que la más
rápidas se ralenticen y las más lentas se aceleren. Si ponemos más energía en el sistema, la
velocidad media de las moléculas se incrementa, lo que hace que se produzca energía térmica
o calor. Por lo tanto, temperaturas altas corresponden a sustancias que tienen un movimiento
medio molecular mayor. Nostros, por supuesto, no podemos sentir ni medir el movimiento de
cada molécula, solo el movimiento medio de todas ellas.
Pulse aquí para ver un "applet" de java que muestra cómo las moléculas se mueven a
diferentes temperaturas (Inglés).
En un objeto frío las moléculas se mueven lentamente y en uno caliente se mueven deprisa.
Cuando dos objetos se ponen en contacto sus movimientos moleculares medios se igualan y
cuando esto ocurre se dice que han alcanzado equilibrio térmico.
Para más información sobre la temperatura vea:
http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/tmp.html (Inglés)
Hay también varios sitios en la red donde se discuten diferentes instrumentos para medir la
temperatura y cómo funciona cada uno.



Cómo Funcionan los Termómetros (Inglés)
Termómetros (Inglés)
Tipos de Termómetros y Cómo Funcionan (Inglés)

Sensores de Temperatura (Inglés)
CÓMO PODEMOS APRENDER DE LA RADIACIÓN TÉRMICA
Nuestros ojos nos permiten aprender mucho sobre el mundo
que nos rodea. Piense en toda la información que usted obtiene
y procesa con sólo mirar las cosas. Nuestros ojos son
detectores biológicos sofisticados que han evolucionado para
ver la luz visible o luz óptica. Sin embargo, existen muchos otros
tipos de luz o radiaciones que no podemos ver sin ayuda de la
tecnología. El ojo humano es sensible a una pequeñísima
fracción de la gama completa de la radiación que denominamos
espectro electromagnético [página en Inglés]. Para apreciar
completamente la belleza y la complejidad de la naturaleza,
necesitamos utilizar dispositivos artificiales que nos permitan
ver los mundos “invisibles” a los ojos humanos. Los médicos
que emplean radiografías para hacer diagnósticos y los
controladores de tráfico aéreo que usan radares para dirigir con
seguridad los aviones, son sólo dos ejemplos de cómo el
estudio de la “luz invisible” contribuye a mejorar nuestras vidas.
La luz infrarroja (IR) es principalmente radiación térmica, es decir, una medida de la
temperatura. A la izquierda podemos apreciar la imagen infrarroja de una persona que
sostiene una vela encendida. En esta imagen de color falso, las regiones blancas son las
más calientes, el rojo representa áreas más templadas y las porciones más frías
aparecen azuladas. Observe el contraste entre la llama sumamente caliente y las gafas o
anteojos relativamente fríos, que no emiten una gran cantidad de radiación IR. La imagen
de la derecha es una fotografía infrarroja de un gato. En ella, las regiones amarillas son
las más calientes y las áreas moradas o violetas son las más frías. Podemos ver que las
partes más calientes de la cara del gato son los oídos y los ojos, mientras que la región
más fría es la nariz. Si usted tiene un gato en su casa, toque suavemente los lóbulos del
oído y observe el contraste con la temperatura de la nariz.
Estas imágenes nos dan una idea de cuan diferente veríamos el mundo si tuviésemos
ojos adaptados a la luz infrarroja, y revelan la información adicional que no podríamos
obtener si simplemente confiásemos en nuestros ojos. Cualquier objeto con una
temperatura más alta que el cero absoluto (–273,15 °C), o cero grados Kelvin (0 K),
irradia en la banda infrarroja. ¡Incluso los objetos que consideramos muy fríos, como los
cubos de hielo, emiten luz infrarroja!
© 1999 Roy R. Goodall
Imagen de luz visible (izquierda) y de luz infrarroja (derecha) de la ciudad de Seattle.
La mayoría de lo que vemos con nuestros ojos es el resultado de radiación indirecta (o
radiación reflejada) generada por el sol o por luces artificiales. La persona que se sienta
a la mesa frente a nosotros es visible gracias a la luz reflejada, proporcionada por otra
fuente de radiación (generalmente, iluminación artificial). Sin embargo, si nuestros ojos
fuesen capaces de ver la radiación infrarroja, esa persona sería visible incluso en una
habitación totalmente a oscuras. ¿Por qué? Porque nuestro compañero de mesa está
vivo, su cuerpo está caliente y produce radiación infrarroja. En general, cuanto más
caliente se encuentra un objeto, tanto mayor es la radiación IR que produce.
El desarrollo, la prueba y la mejora de los detectores infrarrojos son resultado de una
colaboración muy productiva entre empresas aeroespaciales e industriales (financiadas
sobre todo por las fuerzas armadas) e investigadores de universidades (financiados
principalmente a través de la NASA). Estas actividades de investigación de tecnologías
de detectores infrarrojos han permitido crear numerosas aplicaciones útiles, además de
aquéllas utilizadas en la ciencia, la defensa y el espacio.
Utilizamos la tecnología infrarroja diariamente; por ejemplo, al pulsar el botón de un
control remoto para encender el televisor o para cambiar de canal. En las computadoras,
la luz infrarroja se utiliza para leer discos CD-ROM. Los cajeros de las tiendas usan
lectores infrarrojos para leer los códigos de barras estandarizados de los productos y
acelerar el pago de las compras. La tecnología infrarroja también se emplea en sistemas
de cierre de puertas de automóviles y sistemas de seguridad del hogar, sistemas de
acondicionamiento de temperatura ambiente y monitores de temperatura portátiles.
También es utilizada como sonda de diagnóstico; por ejemplo, para medir temperaturas
oceánicas desde satélites en órbita, detectar el calor de personas perdidas en bosques
en la oscuridad de la noche, y estudiar debilidades estructurales en sistemas eléctricos y
mecánicos. La luz infrarroja permite obtener medidas precisas y sacar conclusiones con
seguridad, sin necesidad de tocar los objetos analizados.
En este módulo de página web, hemos explorado algunas de las aplicaciones más
comunes y originales de la luz infrarroja: usos científicos, artísticos e industriales; usos
con fines de diagnóstico médico y usos en sistemas de seguridad.
Experimento de Herschel en la banda infrarroja
OBJETIVO: Repetir el experimento de 1800, mediante el cual el famoso astrónomo Sir William
Herschel descubrió una forma de radiación distinta de la luz visible.
ANTECEDENTES: Herschel descubrió la existencia de la luz infrarroja haciendo pasar luz solar
a través de un prisma de vidrio, en un experimento similar al que describimos aquí. La luz solar,
al pasar a través del prisma, es dispersada en un arco iris de colores denominado espectro. El
espectro contiene todos los colores visibles que componen la luz del sol. Herschel estaba
interesado en medir la cantidad de calor en cada uno de los colores y para ello utilizó
termómetros con bulbos ennegrecidos para medir sus distintas temperaturas. Herschel notó
que la temperatura aumentaba al pasar de la parte azul a la parte roja del espectro visible.
Colocó entonces un termómetro un poco más allá de la parte roja del espectro, en una región
donde no había luz visible, y descubrió que la temperatura era todavía más alta. Herschel
concluyó que existía otro tipo de luz más allá del rojo, que no podemos ver. Este tipo de luz
luego se llamó infrarrojo. El prefijo infra proviene de la palabra latina que significa abajo.
Aunque el procedimiento que describiremos es un poco diferente al experimento original de
Herschel, los resultados obtenidos son similares.
MATERIALES: Un prisma de vidrio (los prismas de plástico no dan buen resultado con este
experimento), tres termómetros de alcohol, pintura negra o un rotulador o marcador
permanente de tinta negra, tijeras, un soporte para el prisma, una caja de cartón y una hoja
blanca.
PREPARACIÓN: Para realizar el experimento eficazmente, es necesario ennegrecer los bulbos
de los termómetros . Una forma de hacerlo es pintarlos con la pintura negra, cubriéndolos con
una cantidad casi igual de pintura. También es posible ennegrecer los bulbos usando el
rotulador permanente de tinta negra. (Nota: los bulbos pintados producen mejores resultados.)
Los bulbos de los termómetros se ennegrecen para que absorban mejor el calor. Después de
que la pintura o la tinta se hayan secado totalmente, coloque los termómetros juntos de tal
forma que las escalas de temperatura queden alineadas como se muestra en la Figura 1.
Figura 1
PROCEDIMIENTO: El experimento se debe conducir al aire libre, en un día soleado. Las
condiciones de nubosidad variable, tales como la presencia de cúmulos dispersos o neblina
pesada, reducen el efecto. La disposición del experimento se muestra en la Figura 1. Se
comienza colocando la hoja blanca, en forma plana, en el fondo de la caja de cartón. En el
siguiente paso, el prisma se coloca cuidadosamente en el borde superior de la caja, de modo
que quede del lado del sol.
Si no se dispone de un soporte para prisma (puede adquirirse en tiendas de artículos
científicos), la manera más fácil de montarlo es cortar parte del borde superior de la caja. La
muesca del recorte debe sostener el prisma de forma ajustada y permitir su rotación sobre su
eje longitudinal (tal como se muestra en la Figura 2). Es decir que los cortes verticales laterales
se deben realizar a una distancia ligeramente menor que la longitud del prisma, en tanto que el
corte inferior debe ser un poco más profundo que el ancho del prisma. Luego, el prisma se
coloca dentro del recorte y se hace girar hasta que aparezca un espectro lo más amplio posible
en la zona de sombra, sobre la hoja blanca situada en el fondo de la caja. (Para ver imágenes
que ilustran el experimento, haga clic aquí.)
Para obtener una amplia gama de colores, posiblemente sea necesario levantar ligeramente el
extremo de la caja del lado del sol. Después de asegurar el prisma en posición, coloque los
termómetros a la sombra y registre la temperatura ambiente. Coloque ahora los termómetros
en la luz del espectro, de manera que cada bulbo esté en uno de los colores: uno en la región
azul, otro en la región amarilla, y el tercero un poco más allá de la región roja visible (vea la
Figura 3).
Figura 3
Las temperaturas demoran unos cinco minutos en alcanzar sus valores finales. Registre las
temperaturas en cada una de las tres regiones del espectro: azul, amarillo y un poco más allá
del rojo. Mientras lee las temperaturas, no retire los termómetros del espectro y no bloquee su
luz.
DATOS Y OBSERVACIONES:
Termómetro No. 1
Termómetro No. 2
Termómetro No. 3
Termómetro No. 1
(azul)
Termómetro No. 2
(amarillo)
Termómetro No. 3
(más allá del rojo)
Temperatura a la
sombra
Temperatura en el
espectro
Después
minuto
de
1
Después
minutos
de
2
Después
minutos
de
3
Después
minutos
de
4
Después
de
5
minutos
Nota: Según la posición del prisma con respecto al sol, los colores del espectro pueden
aparecer en orden inverso al que se muestra en las figuras.
PREGUNTAS: ¿Qué nota en las lecturas de temperaturas? ¿Se aprecia alguna tendencia?
¿Dónde ocurre la temperatura más alta? ¿Qué cree que existe más allá del borde rojo del
espectro? Discuta cualquier otra observación o problema.
OBSERVACIONES PARA EL PROFESOR: Pida a los estudiantes que contesten las preguntas
anteriores. Las temperaturas de los colores deben aumentar al avanzar del azul a la parte roja
del espectro. La temperatura más alta debe ser la del termómetro ubicado más allá de la
sección roja del espectro visible. Ésta es la región infrarroja del espectro. El experimento de
Herschel fue importante, no sólo porque condujo al descubrimiento de la luz infrarroja, sino
también porque fue la primera vez que se demostró que existen formas de luz que no podemos
apreciar con los ojos. Ahora sabemos que hay muchos otros tipos de radiación
electromagnética ("luz") que el ojo humano no puede ver (tales como los rayos X, los rayos
ultravioletas y las ondas de radio). Quizás desee pedir a los estudiantes que midan las
temperaturas en otras áreas del espectro, tales como la zona ubicada un poco más allá del
azul visible. También puede realizar el experimento a distintas horas del día; las diferencias
entre las temperaturas de los colores pueden cambiar, pero las comparaciones relativas
seguirán siendo válidas.
Si desea más información sobre el experimento de Herschel en la banda infrarroja, haga clic
aquí.
EJEMPLO DEL EXPERIMENTODE BANDA INFRARROJA
En el año 1800, Sir William Herschel descubrió la existencia de los rayos infrarrojos realizando
un experimento muy similar al que mostramos aquí. Herschel hizo pasar luz solar a través de
un prisma, lo que produjo la división del haz de luz incidente en un arco iris, que científicamente
se denomina espectro. El espectro contiene todos los colores que componen la luz del sol.
Herschel estaba interesado en medir la cantidad de calor asociada con cada banda de color.
Para ello, utilizó termómetros con bulbos ennegrecidos y midió la temperatura de los diversos
colores del espectro. Herschel notó que la temperatura aumentaba a medida que pasaba de los
componentes azules del espectro a los componentes rojos. Luego colocó un termómetro un
poco más allá de la parte roja del espectro, en una región donde no había luz visible, y
descubrió que la temperatura era aún más alta. Herschel razonó que por debajo de la longitud
de onda del rojo existía otro tipo de luz que no podía ver y la denominó luz infrarroja.
Es muy fácil repetir este experimento. Todo lo que se necesita es un prisma equilátero de
cristal, tres termómetros de alcohol, cinta adhesiva, una hoja de papel blanco, y una ventana o
una caja de cartón que enfrenten al sol. El costo del prisma que nosotros utilizamos es de unos
US$ 7,50 y el de los termómetros, US$ 0,75 cada uno. Para realizar el experimento es
necesario ennegrecer los bulbos de los termómetros. Para ello, se cubren los termómetros con
cinta adhesiva y después se pintan los bulbos con pintura sin brillo de color negro (esto permite
que absorban mejor el calor).
En la imagen anterior se puede ver cómo realizar este experimento al aire libre. Se pone la hoja
de papel blanco en el fondo de la caja de cartón y se coloca el prisma en uno de los bordes. El
prisma se hace girar hasta obtener una amplia gama de colores en el papel del fondo de la caja
y se fija en esa posición mediante la cinta. En nuestro caso, para obtener un buen espectro,
tuvimos que levantar el extremo de la caja donde se encontraba el prisma y sostenerlo allí
mediante una piedra.
Primero, se toma la temperatura de los termómetros lejos del espectro, en el área de la caja
donde hay sombra. La imagen anterior muestra la temperatura antes de colocar los
termómetros en el espectro. Los tres marcan 24 °C, que es la temperatura ambiente al aire
libre y a la sombra.
Luego, los termómetros se colocan en el espectro: el bulbo de la izquierda; en la parte azul; el
bulbo central, en la parte amarilla; y el bulbo de la derecha, un poco más allá de la parte roja
del espectro, en la región donde no hay luz visible.
La imagen anterior muestra las lecturas de temperatura después de un minuto,
aproximadamente. (Para que las temperaturas alcancen su valor final, se requieren varios
minutos.) En menos de un minuto ya se puede apreciar una diferencia de temperaturas. El
termómetro en la zona azul del espectro muestra la lectura más baja, apenas más alta que la
temperatura ambiente. La zona amarilla del espectro muestra una temperatura mucho más alta
que la del azul. El termómetro de la derecha, que está en la región de sombra apenas más allá
del rojo, muestra la temperatura más alta de todas. (Cuando se tomó esta imagen, el sol se
había desplazado levemente y el bulbo de la derecha aparece ligeramente iluminado por el
espectro rojo.)
Las diferencias entre las tres lecturas de temperatura continúan aumentando hasta que se
alcanzan las temperaturas finales (mostradas arriba). Se puede ver ahora que el área oscura
muestra una temperatura mucho más alta que las áreas que se encuentran en las regiones
iluminadas.
Las lecturas finales son: azul: 27 °C amarillo: 28 °C infrarrojo: 30 °C
Notas:
1. Las diferencias entre las temperaturas registradas en los diferentes colores del
espectro varían con el ancho del espectro —el cual depende de la hora del día— y de
la distancia al prisma —que es proporcional a la altura de la caja. De cualquier manera,
la temperatura tiende a aumentar desde el azul hacia el infrarrojo.
2. Todas las longitudes de onda por debajo de la luz infrarroja se comprimen en una
región pequeña, un poco más allá del rojo (vea Conciliación del experimento de
Herschel) [página en Inglés]. Para la altura de las cajas de cartón comunes (30 cm), no
se observan longitudes de onda solares más allá de unos 4 mm del extremo del rojo,
de modo que el termómetro “infrarrojo” se debe colocar junto al borde del espectro
observado.
3. Si fuera posible colocar el prisma a mayor distancia del fondo de la caja, el espectro
proyectado se alargaría y habría más espacio para explorar la banda infrarroja. Sin
embargo, la diferencia en las lecturas del termómetro sería más pequeña, ya que
interceptarían menos energía.
El experimento de Herschel fue importante, no sólo porque condujo al descubrimiento de la luz
infrarroja, sino también porque fue la primera vez que alguien demostró que existía luz que no
es posible ver con los ojos. Sabemos ahora que hay muchos tipos de luz y que los colores
visibles son solamente una parte muy pequeña de la gama completa que denominamos
espectro electromagnético.