¿Por qué algunas ondas electromagnéticas pueden calentar cosas y otras no?

Question

He leído que la radiación de calor se produce en forma de infrarrojos, que es una radiación EM de mayor longitud de onda que la luz visible. Así que la radiación térmica que se siente en un horno o bajo el sol es en realidad la parte infrarroja de la radiación total. Por eso las luces fluorescentes o LED son tan brillantes pero no se calientan mucho: producen sobre todo radiación en el espectro visible con un infrarrojo insignificante, mientras que las bombillas incandescentes solían producir mucho infrarrojo como subproducto (algunos dirían que la luz visible era el subproducto en este caso).

Mi pregunta es ¿por qué la radiación electromagnética en algunas longitudes de onda calienta las cosas, mientras que otras, con longitudes de onda más o menos largas (RF, microondas, UV, gamma), no tienen el mismo efecto? ¿Se debe al tamaño de los átomos/moléculas, o a la distancia interatómica, o a la distancia entre el núcleo y los electrones? ¿Algunas longitudes de onda son más adecuadas para aumentar la vibración de los átomos que otras?

Answer 1

En un sólido, el "calor" consiste en vibraciones aleatorias de los átomos de ese sólido en torno a sus posiciones de equilibrio. Si la radiación que incide en ese sólido tiene una componente de longitud de onda cercana a uno de esos posibles modos de vibración, entonces la radiación se acoplará fuertemente a ese modo vibratorio y el sólido aceptará energía de la radiación incidente y su temperatura aumentará.

Si la radiación incidente tiene una frecuencia demasiado alta (rayos X o gamma) el acoplamiento es pobre y la radiación simplemente pasa sin interactuar mucho. Si la frecuencia es demasiado baja (frecuencias de radio inferiores a las del radar), la radiación rebota y tampoco interactúa mucho. Esto deja ciertas bandas de frecuencia específicas (como los infrarrojos y las longitudes de onda de la luz visible) donde la interacción es fuerte.

Hay que tener en cuenta que esta imagen está algo simplificada en el sentido de que hay bandas de frecuencia en el rango de los gigahercios en las que la energía de radiofrecuencia rebota en materiales conductores de la electricidad como el metal (esto nos da el radar) pero interactúa fuertemente con los dieléctricos y los materiales que contienen moléculas de agua (esto nos da los hornos de microondas).

Tenga en cuenta también, como señala Frederic más abajo, que las moléculas poseen modos resonantes que sus átomos constituyentes no tienen y que también pueden ser excitados por la energía de radiofrecuencia. Muchos de estos modos moleculares se encuentran en el rango infrarrojo, dando lugar al campo de la espectroscopia IR.

Answer 2

Como menciona niels nielsen, las ondas EM se absorben cuando su longitud de onda coincide con los modos de vibración de los átomos del sólido. Esto hace que los átomos vibren con más fuerza y, por tanto, que aumente la temperatura. A partir de la vibración de los átomos en los sólidos, se puede hacer la extensión hacia la vibración de los polímeros y las moléculas orgánicas, que tienen modos vibracionales y rotacionales adicionales. Por ejemplo, en las moléculas orgánicas, toda la molécula puede vibrar (además de los átomos individuales que la componen). Esta vibración se produce en una escala de longitud diferente y, por lo tanto, la radiación electromagnética con frecuencias diferentes (más bajas) puede ser absorbida con respecto a los materiales sólidos normales. Además, en estas moléculas orgánicas también existen modos de rotación que pueden absorber la radiación EM y dar lugar a un calentamiento.

Como los humanos estamos hechos de estas moléculas orgánicas, son estos modos de vibración molecular los que absorben la radiación IR y los que nos dan la sensación de temperatura.

Answer 3

TODAS las ondas electromagnéticas transfieren energía. Cuando se encuentran con algún cuerpo, son absorbidas, dispersadas o parcialmente ambas cosas.

La parte que se absorbe siempre calienta el cuerpo absorbente. Las ondas EM absorbidas pueden, o no, hacer otras cosas también (como cambios químicos o corrientes eléctricas).

La razón por la que no se siente mucho calor de una bombilla LED es porque la bombilla LED no irradia mucho. Un horno tiene 1-5kW, el Sol tiene unos 1 kW / metro cuadrado al mediodía. Una bombilla LED típica es de 3-15W.

Puedes probar con algún LED potente (hay, por ejemplo, faros LED dirigidos de 50W que pueden quemar bastante tu piel).

Answer 4

Es muy importante entender que la energía térmica se almacena en los grados de libertad de las moléculas.

La energía térmica, a nivel microscópico, se almacena en los grados de libertad de los átomos y las moléculas. Estos grados de libertad son traslacionales, rotacionales y vibracionales. Todos ellos almacenan diferentes cantidades de energía, dependiendo de la geometría del átomo. Los grados de libertad traslacionales son el movimiento del átomo o la molécula en el espacio, y siempre hay 3 para las 3 dimensiones del espacio. Los modos rotacional y vibracional provienen de la geometría del átomo/molécula.

¿Cómo se representa el calor a nivel cuántico?

Ahora hay principalmente tres tipos:

1. translación

Los grados de libertad traslacionales surgen de la capacidad de una molécula de gas para moverse libremente en el espacio.

2. rotativo

Los grados de libertad rotacionales de una molécula representan el número de formas únicas en que la molécula puede girar en el espacio alrededor de su centro de masa que un cambio en la orientación de la molécula.

3. vibracional

El número de grados de libertad vibracionales (o modos vibracionales) de una molécula se determina examinando el número de formas únicas en que los átomos de la molécula pueden moverse unos con respecto a otros, como en los estiramientos o dobleces de los enlaces.

https://en.wikibooks.org/wiki/Statistical_Thermodynamics_and_Rate_Theories/Degrees_of_freedom

Ahora se pregunta por qué los fotones de cierta longitud de onda sólo calientan las moléculas de ciertos materiales mientras que otros no pueden hacerlo.

Cada molécula tiene sus propias características mecánicas cuánticas, que incluyen las características de los modos de traslación, vibración y rotación, y a qué longitud de onda pueden corresponder los fotones. Esto significa que la energía de ciertos fotones de longitud de onda debe coincidir con la brecha de energía entre esos modos.

Si la energía del fotón coincide (o a veces supera) el hueco entre dos modos, entonces el fotón podría ser absorbido con alta probabilidad.

Ahora bien, no es tan sencillo. Ciertos fotones de longitud de onda tienen la capacidad de transferir sus energías con mayor probabilidad a las moléculas que tienen un determinado tipo de grados de libertad disponibles (modo).

Así, ciertas moléculas que tienen grados de libertad disponibles en los diferentes modos traslacionales, vibracionales o rotacionales, pueden ser excitadas por fotones de diferente longitud de onda.

Sólo un apunte, las otras respuestas no abordan este tema, pero el calentamiento de un material, en contra de la creencia popular, no se produce principalmente por absorción. Gran parte de la energía de los fotones se transfiere por dispersión inelástica. En este caso, el fotón no deja de existir, y sólo transfiere parte de su energía a la molécula.

https://en.wikipedia.org/wiki/Inelastic_scattering

Answer 5

Las cosas se calientan cuando absorben la radiación. No se calientan si son transparentes a esa radiación o si la reflejan. Cuando son transparentes, la radiación pasa a través de ellos sin perder mucha energía.

Diferentes longitudes de onda tienen diferentes perfiles de absorción en diferentes materiales (debido a la estructura atómica de los materiales) como mencionan @nielsnielsen y @Frederic. El vidrio parece bastante transparente en el espectro visible, pero absorbe la radiación infrarroja y ultravioleta, por lo que es opaco para estas longitudes de onda. Yo solía manejar un espectrómetro de infrarrojos. En lugar de utilizar vidrio para montar las muestras, teníamos que usar discos de sal, ya que la sal sigue siendo transparente en el rango infrarrojo. El agua también parece ser bastante transparente, pero absorbe fuertemente las microondas (la base de los hornos de microondas).

Lo que no he visto explícitamente en las otras respuestas es que la radiación es absorbida a nivel atómico y molecular cuando la energía del fotón ( $E = h \nu = h c/\lambda_\mathrm{vacuum}$ ) es igual a la energía necesaria para la transición cuántica entre los diferentes modos. Estos modos pueden incluir transiciones de electrones en los átomos , transiciones de electrones deslocalizados en las moléculas , transiciones vibracionales de los núcleos atómicos, transiciones rotacionales de los núcleos atómicos y desplazamientos de los átomos en los cristales.