Termometría infrarroja

Días de verano con ola de calor en Uruguay. Tres días con temperaturas mínimas superiores a 21ºC y temperaturas máximas superiores a 33ºC y sensación térmica en el orden de los 40ºC. La extrema situación se refleja también en la demanda de energía eléctrica, que este martes (29/1/2019) superó el registro histórico de 2100 megavatios.



Con ayuda de un termómetro infrarrojo (explicación más abajo) resulta interesante descubrir las diferentes temperaturas que se alcanzan en diversas condiciones. Por ejemplo, la gran diferencia entre la temperatura del suelo y la temperatura del techo, que no solo se explica por el hecho de que el aire caliente sube, sino más importante aún, por la radiación solar incidente sobre el techo y por las características de la aislación térmica del mismo.

En habitación sin aire acondicionado:
Suelo: 32,5 ºC
Techo: 40,3 ºC
Escritorio: 36,3 ºC

Habitación con aire acondicionado:
Suelo: 26,0 ºC
Techo 29,4 ºC
Escritorio: 25,7 ºC

Exterior:
Suelo a la sombra: 43,3 ºC
Suelo al Sol: 54,0 ºC













Aislación térmica del techo:
Acá dos techos diferentes de habitaciones contiguas. Ambos de concreto. Uno grueso, de construcción antigua y el otro más delgado, de construcción económica. Como se aprecia hay 4 ºC de diferencia entre uno y otro. Obviamente el de mayor temperatura es el techo más delgado.




Por razón de su temperatura, todos los objetos emiten radiación térmica, esto es un conjunto específico de ondas electromagnéticas que obedecen a la ley de Planck (ver gráfica 1) y que a temperaturas ordinarias contienen principalmente luz infrarroja. La intensidad, I, de la radiación térmica con la que emite un cuerpo es proporcional al área debajo de la curva de Planck, la cual es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura, T. Esto se conoce como ley de Stefan-Boltzmann,

\[ I = e \sigma T^4 \]

donde \( \sigma \) es una constante universal, conocida como constante de Stefan-Boltzmann y e es un factor denominado emisividad, que es un número comprendido entre 0 y 1, que depende de las características de la superficie del objeto.

Un termómetro infrarrojo (o termómetro sin contacto), aprovecha este propiedad de la naturaleza para determinar en forma remota la temperatura de un objeto. El sensor que hace esto posible es una termopila, que es una serie de pares metálicos o termocuplas, capaz de producir diferentes potenciales eléctricos (voltajes) para diferentes intensidades de la radiación térmica que incide sobre ella.

La emisividad es muy importante en termometría infrarroja ya que superficies con diferentes emisividades emiten diferentes cantidades de radiación térmica, a pesar de estar a la misma temperatura, produciendo medidas falsas en el termómetro. Por este motivo es que a veces deben aplicarse factores de corrección según la emisividad de cada superficie. Especialmente problemáticas son las superficies metálicas, que además de presentar bajas emisividades, tienen la capacidad de reflejar la radiación térmica de otros objetos. Una forma de realizar medidas en estos casos consiste en pegar una cinta oscura.

Un hecho que puede resultar curioso de la termometría infrarroja es que no depende de la distancia. La intensidad de la luz y en general de la radiación térmica que emite un cuerpo puntual disminuye con la distancia. El asunto es que en termometría infrarroja no se miden temperaturas de zonas puntuales sino la temperatura promedio de todo lo que "ve" el sensor. Pero el tamaño de la zona que ve el sensor, aumenta con la distancia. De este modo, la reducción de la intensidad por el aumento de la distancia, se ve compensada con el aumento en igual magnitud del tamaño de la superficie que ve el sensor.

Estos termómetros vienen acompañados de un laser, por lo que muchas veces son denominados termómetros láser. Sin embargo el láser no participa de ningún modo en la medida de temperatura. El láser únicamente cumple la función de servir como mira para ubicar el centro de la zona a la que está "mirando" el sensor de temperatura.

El termómetro utilizado en este caso ha sido un Etekcity lasergrip 774, con un rango de -50ºC a 380ºC.

Gráfica 1. Curvas de Planck para diferentes temperaturas.
La intensidad de la radiación térmica que emite un cuerpo a temperatura T, es proprcional al área debajo de la curva correspondiente. Al aumentar la temperatura, aumenta el área de forma proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. 




Frente del instrumento.
Arriba está el láser que sirve para señalar la zona que se está midiendo.
Abajo la ventana del sensor infrarrojo de temperatura. 



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