¿Por qué solo se clasifican los rayos infrarrojos como "rayos de calor"?

Question

A menudo he escuchado que los rayos infrarrojos son llamados "rayos de calor". Sin embargo, siento que este término es incorrecto. ¿Acaso todas las longitudes de onda de la radiación electromagnética no llevan energía?

Juzgando por cómo los rayos gamma son altamente penetrantes y peligrosos cuando son absorbidos por los tejidos, las radiaciones de longitudes de onda más cortas deberían llevar más energía y ser capaces de aumentar la energía interna del objeto que la absorbe mucho más que los rayos infrarrojos. Esto parece ser consistente con la conservación de energía para un sistema aislado: $$T_{ER} = \Delta E_{int}$$ donde $T_{ER}$ representa la transferencia de energía por radiación electromagnética

Entonces, ¿por qué los rayos UV, los rayos X y los rayos gamma no se clasifican como "rayos de calor"?

Answer 1

La región infrarroja es parte del espectro electromagnético que es en su mayoría responsable de la transferencia de calor radiativo en nuestra vida cotidiana. Esto se expresa por el hecho de que el pico de la distribución de Planck a temperatura ambiente se encuentra en el rango infrarrojo:

La radiación de Planck tiene una intensidad máxima en una longitud de onda que depende de la temperatura del cuerpo. Por ejemplo, a temperatura ambiente (~300 K), un cuerpo emite radiación térmica que es principalmente infrarroja e invisible. A temperaturas más altas, la cantidad de radiación infrarroja aumenta y se puede sentir como calor, y se emite más radiación visible por lo que el cuerpo brilla visiblemente de rojo. A temperaturas más altas, el cuerpo es brillante amarillo o blanco-azulado y emite cantidades significativas de radiación de longitud de onda corta, incluyendo ultravioleta e incluso rayos X. La superficie del sol (~6000 K) emite grandes cantidades de radiación tanto infrarroja como ultravioleta; su emisión se encuentra en su punto máximo en el espectro visible.

Las ondas electromagnéticas con frecuencias un poco más altas que el infrarrojo son luz visible. Por lo tanto, aunque también llevan calor, principalmente se identifican con la información que recibimos a través de nuestros ojos.

Las ondas electromagnéticas de frecuencia más baja, en el espectro de radio, son menos energéticas y por lo tanto menos importantes.

Aclaración
En termodinámica/mecánica estadística, calor es la energía transferida de un sistema a otro a nivel microscópico (a diferencia del trabajo, que se debe a cambios macroscópicos). En este caso, un objeto está en contacto con radiación. Rayos de calor no es un término físico, no debe interpretarse literalmente como "rayos que llevan calor". Pero la razón por la que usamos este término para describir la radiación infrarroja es la que menciono arriba.

Comentario sobre la conservación de la energía
La energía radiativa absorbida depende no solo de la energía de los fotones de una frecuencia dada, $h\nu$, sino también del número de fotones, $n_\nu$, es decir, la energía absorbida en una frecuencia dada es $$E_\nu=n_{\nu}h\nu.$$ Si asumimos una distribución térmica para $n_\nu$ y hacemos el cálculo, obtenemos la fórmula de Planck mencionada anteriormente. Por eso el pico de la fórmula de Planck corresponde a las frecuencias donde se transfiere más calor.

Answer 2

¿No transportan todas las longitudes de onda de la radiación electromagnética energía?

Sí. Y esa energía de fotones $E$ es dada por

$$E=h\nu$$

Donde $h$ = constante de Planck y $\nu$ = frecuencia.

Pero no todas las frecuencias interactúan con la materia de la misma manera.

Según cómo los rayos Gamma son altamente penetrantes y peligrosos cuando son absorbidos por los tejidos

Muy poca de la energía de los rayos Gamma es absorbida por el tejido, es decir, el tejido es básicamente transparente a los rayos Gamma. Incluso pueden atravesar varias pulgadas de plomo. Pero a medida que pasan a través del tejido humano, la energía que se absorbe puede causar ionizaciones que dañan el tejido y el ADN. Por esta razón, se llama radiación ionizante.

...las radiaciones de longitudes de onda más cortas deberían transportar más energía, y deberían ser capaces de aumentar la energía interna del objeto que la absorbió mucho más que los rayos infrarrojos pueden.

Sí lo hacen, pero la cantidad de energía que realmente se absorbe depende de la frecuencia. Según el sitio web de Hyperfísica (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod3.html) con respecto a la interacción de la radiación con la materia:

"a medida que se mueve hacia arriba en frecuencia desde el infrarrojo hasta la luz visible, absorbes (la energía) más y más fuertemente. En el rango de ultravioleta más bajo, todo el ultravioleta del sol se absorbe en una fina capa externa de tu piel. A medida que te mueves más hacia arriba en la región de rayos X, nuevamente te vuelves transparente, porque la mayoría de los mecanismos de absorción han desaparecido. Luego absorbes solo una pequeña fracción de la radiación, pero esa absorción implica eventos de ionización más violentos"

Entonces, ¿por qué los rayos UV, los rayos X y los rayos Gamma no se clasifican como "rayos de calor"?

En el caso de los rayos X y los rayos Gamma, es porque no interactúan con la piel de la misma manera que el infrarrojo, es decir, no crean una sensación de calor en la piel.

El caso de los rayos UV es un poco más complejo. No sientes directamente la radiación UV. Pero según el sitio web de FDA.gov,

"Cuando los rayos UV alcanzan tu piel, dañan las células en la epidermis. En respuesta, tu sistema inmunológico aumenta el flujo sanguíneo hacia las áreas afectadas. El aumento del flujo sanguíneo es lo que le da a la quemadura del sol su característico enrojecimiento y hace que la piel se sienta cálida al tacto."

Espero que esto te ayude.

Answer 3

Creo que "rayos de calor" es un término muy informal y flexible, así que no lo tomes demasiado estrictamente. Probablemente, su uso se debe al hecho de que la mayoría de los objetos están a una temperatura que emite principalmente IR. Para empezar a emitir luz visible, tiene que estar muy caliente, como el acero en una fragua. Y debido a esto, las cámaras de visión nocturna o "visión térmica" están hechas para detectar IR.

Answer 4

Sí, es un poco incorrecto, pero es informal. Es una abreviatura para "los rayos que no vemos, pero a menudo sentimos como calor." Estoy de acuerdo en que puede causar confusión. Gran parte del calor que recibimos del sol está en forma de luz visible, por lo que si piensas en el infrarrojo como el encargado de transmitir calor, tendrás una visión inexacta.

Por supuesto, otras radiaciones electromagnéticas también pueden calentar las cosas, pero raramente sentimos calor de ellas, y si lo hacemos, es algo malo. Los rayos X de alta energía pueden calentar tejidos, al igual que las microondas, pero tratamos de evitar esas exposiciones. Entonces, en la experiencia diaria, si sientes calor emanando de algo caliente (pero el aire ambiente no está tan caliente) entonces tu piel está "viendo" el infrarrojo brillante.

Answer 5

El calor es lo que sientes en tu piel, no cualquier forma de energía. Probablemente hayas tenido rayos X en algún momento. Tienen mucha energía, pero ¿sentiste calor?