¿Por qué sentimos el calor de la luz infrarroja pero no el de las longitudes de onda más cortas?

Question

Mi suposición sería que la luz con una energía más alta, como la visible o la UV, se sentiría más caliente, pero no es el caso.

¿Tiene esto que ver con los sentidos humanos o hay una explicación física?

Answer 1

La respuesta corta es: por supuesto que sí.

La respuesta larga tiene varias partes.

Absorción

Diferentes longitudes de onda tienen diferentes relaciones de absorción en los mismos materiales. El ejemplo típico es una bolsa de plástico, que es transparente a la luz visible, pero opaca a la luz infrarroja. Esto significa que deja pasar mayoritariamente la luz visible (sin absorción, sin calentamiento), mientras que capta la luz infrarroja (absorción, calentamiento).

El cuerpo humano es mayoritariamente transparente a la luz de muy alta y muy baja frecuencia. La radio la atraviesa directamente, al igual que, por ejemplo, los rayos X en su mayor parte (no intente esconderse de una explosión nuclear detrás de otro ser humano: no hay mucha protección). Puede haber kilovatios de ondas de radio que atraviesen tu cuerpo sin que notes ningún calentamiento, porque tu cuerpo sólo absorbe muy poco de esas frecuencias. El infrarrojo es muy importante porque se absorbe fácilmente en el agua, y el cuerpo humano tiene mucha agua. Sin embargo, la luz visible también se absorbe fácilmente en el cuerpo humano; de hecho, se siente el calor de la luz visible (si alguna vez ha intentado enfocar una lente en un trozo de papel, lo hace principalmente con la luz visible; la luz infrarroja, por supuesto, tiene un enfoque diferente). Sin embargo, en condiciones normales, esto tiende a quedar empequeñecido por la luz infrarroja, porque...

Emisión

... la mayoría de las fuentes de luz que nos rodean se acercan bastante a los emisores de cuerpos negros. Quizá conozcas la curva bastante característica derivada de la Ley de Planck para la emisión de fotones de un cuerpo negro. Ahora compara el área bajo la curva en la región IR con la de la región visible o UV - para fuentes de baja temperatura (simples bombillas incandescentes) el IR domina totalmente, e incluso para la luz solar, puedes ver que incluso antes de tener en cuenta todas las artimañas de la atmósfera, etc., obtenemos mucha más luz IR que luz visible. Aunque la energía por fotón de la luz ultravioleta es mucho mayor que la de la luz visible, la cantidad total de energía transportada por todos los fotones es mucho menor, y la mayor parte de la luz ultravioleta es absorbida por la atmósfera.

De hecho, incluso las bombillas modernas de alta eficiencia tienden a producir más luz IR que luz visible; las fuentes de luz con una eficiencia superior al 50% son bastante raras. Una bombilla LED decente puede tener una eficiencia de alrededor del 20%, lo que significa que por cada vatio de luz, emite cuatro vatios de calor (ya sea radiación IR directa o en cascada a través de su entorno).

IR es en todas partes

La sensación de calor en la piel es una cuestión relativamente sencilla que consiste en comparar dos temperaturas: la de la parte superior de la piel, con la de la parte inferior. Si la piel superior está más caliente, sentimos calor, si está más fría, sentimos frío.

Todos los objetos emiten luz IR. Todos, y en proporción a su temperatura. Por eso el IR se asocia comúnmente con el calor: la habitación que le rodea está caliente por la radiación IR, el ordenador bajo su escritorio está caliente por la radiación IR, usted está caliente por la radiación IR. Eso es lo que hace que la visión térmica pasiva funcione: los diferentes objetos tienen diferentes temperaturas y diferente emisividad, lo que hace que se diferencien unos de otros en un sensor IR.

¿De cuánto calor estamos hablando? Comparemos con el Sol, sólo por diversión. La luz del sol da unos 1100 W por metro cuadrado a nivel del suelo (hay muchas medias diferentes - este es básicamente el valor a mediodía en el ecuador con una cobertura de nubes media). De esta cantidad, alrededor del 55% es luz infrarroja y alrededor del 42% es visible (¿ves? Incluso después de que la atmósfera absorba tanta luz infrarroja, sigue dominando a nivel del suelo :)). Así que digamos que se obtienen unos 500 W de calor IR a nivel de superficie por metro cuadrado. No es algo que se pueda despreciar, ciertamente. Pero pongámoslo en términos humanos.

Coge a un humano desnudo y ponlo en ángulo con el Sol. La superficie humana es, en promedio, de unos dos metros cuadrados, y la mitad de ella está orientada hacia el Sol, por lo que, en un gran día, podría absorber hasta esos 500 W de luz IR. Suficientemente cerca para nuestros propósitos :) Pero hay que tener en cuenta algo más: el cuerpo humano también es un emisor de IR, y bastante bueno. ¿Cuánta energía emite un ser humano típico cuando está inactivo? Unos 1.000 W. Sí, casi toda la luz solar que entra en el lugar más iluminado de la Tierra al mediodía. Entonces, ¿por qué tenemos calor?

Porque la luz solar no es la única fuente de radiación en la Tierra. Los seres humanos irradian una gran cantidad de energía, es cierto, pero también lo hace nuestro entorno. Si te encierras en una habitación oscura a temperatura ambiente, recibirás unos 900 W de vuelta. Por lo tanto, la pérdida neta de radiación es de sólo 100 W, en lugar de 1000 W. Y sucede que la pérdida media de calor del cuerpo humano es de unos 100 W, por lo que una habitación a 25º C sin luz solar directa resulta confortable: es más o menos un equilibrio perfecto entre las ineficiencias del metabolismo humano y la diferencia de temperatura entre el cuerpo humano y la habitación. Por supuesto, esto cambia mucho dependiendo de la ropa y otros factores. Si añades una bombilla de 100 W, estarás totalmente caliente :)

Los fotones IR tienen una energía muy baja

Ahora bien, esto puede sonar contradictorio, y es porque esto se dirige principalmente al pensamiento humano, más que a la realidad. Pero para completar: la luz infrarroja tiene efectos insignificantes más allá del calentamiento. No tiene la energía suficiente para afectar a los átomos o a los enlaces químicos. La única cosa a la que se refiere bien es a los movimientos aleatorios de los átomos y las moléculas, que se suman a lo que llamamos calor.

Por otro lado, si se toma algo como la luz visible, además de las vibraciones también se producen cambios químicos: los electrones pasan a estados de excitación, los enlaces químicos (relativamente débiles) cambian; de hecho, esa es la razón por la que véase La luz visible, en particular, está más o menos en el punto dulce de "lo suficientemente fuerte como para excitar electrones, pero lo suficientemente débil como para no destruir los fotorreceptores y sus proteínas" (los animales que son sensibles a los infrarrojos utilizan un mecanismo diferente al de la electroquímica). La luz ultravioleta puede ser absorbida fácilmente, pero es lo suficientemente fuerte como para romper incluso enlaces químicos bastante fuertes, lo que conlleva un daño sustancial: así es como la luz ultravioleta destruye el ADN de las células, por ejemplo (aunque, de nuevo, hay animales que tienen sentidos para la luz ultravioleta: muchos insectos los tienen).

Así que hay un extraño sesgo en la mente humana: ves todos esos tipos de luz diferentes, y todos tienen propiedades interesantes... excepto el IR. Sólo calienta las cosas, y no mucho más. Si pasamos a los infrarrojos más profundos (como las microondas o las ondas de radio), obtendremos otros comportamientos interesantes y un calentamiento mucho menos directo, ya que se absorben con menos facilidad.

Conclusión:

La radiación infrarroja nos interesa sobre todo en términos de calor, simplemente porque hay mucha en todas partes, y la mayoría de las fuentes de luz visible también implican una mayor cantidad de luz infrarroja. Sin embargo, si tomas una fuente de luz visible pura de suficiente potencia (por ejemplo, una bombilla LED fría de alta potencia) y la apuntas hacia ti, sentirás el calor. Utilizamos muchos láseres de luz visible de alta potencia, y es evidente que son muy buenos para calentar cosas.

Un panel solar fotovoltaico típico obtiene la mayor parte de su producción de energía de la luz visible, al igual que las plantas fotosintéticas (aunque algunas plantas también necesitan luz ultravioleta, ésta es más bien un catalizador y no la principal fuente de energía; piense en lo bien que le va a su planta de interior a pesar de no recibir ninguna luz ultravioleta). Se necesita una energía gradiente para hacer un trabajo útil, y eso hace que la luz visible sea mucho más interesante que la IR para la mayoría de las plantas - eche un vistazo a una fotografía IR de árboles o plantas; hay bastantes posibilidades de que sus hojas sean realmente que refleja luz infrarroja incidente en lugar de absorberla, simplemente porque es básicamente calor residual que no se desea. Dicho esto, hay organismos fotosintéticos que son diferentes: trabajan con luz IR, roja o azul, dependiendo de su nicho.

Answer 2

Esto se debe probablemente a Ley de radiación de Planck y Ley de desplazamiento de Wien dando la longitud de onda de máxima emisión de energía, lo que muestra que para temperaturas de cuerpos habituales muy calientes del orden de (un par) $1000K$ la energía de radiación emitida en el infrarrojo/visible ( $\lambda>380 nm$ ) es mucho mayor que en la región ultravioleta ( $\lambda<380 nm$ ).

Answer 3

Lo hacemos. Aquí hay dos maneras de demostrarlo.

Primero la forma recomendada: Consigue un LED blanco realmente brillante (por ejemplo, una luz de bicicleta de 1200 lúmenes) y mira el espectro en una hoja de datos o con un espectrómetro. Si no te fías, pon un cristal que bloquee los infrarrojos (por ejemplo, KG1). Pon tu mano en el haz de luz. Sentirás un poco de warnth, especialmente en el exterior en una noche fría. Una variación es conseguir un LED visible monocolor extremadamente brillante. Hoy en día (además de 2020) los LEDs de alta potencia pueden dar varios vatios en un rango de longitud de onda visible muy pequeño, por lo que se puede sentir fácilmente el calor de (por ejemplo) la luz azul

Ahora la forma no recomendada: Poner la mano en el haz de un láser visible de al menos 50mW (más si el haz es ancho). 120mW de 532nm (verde) en un punto submilimétrico en el dorso de la mano produce un gran escozor. Con este tipo de potencia deberías llevar gafas, pero entonces no puedes ver el haz y puedes meter la mano en él accidentalmente al alinear. Pero no lo intentes en casa.

Answer 4

Seguramente lo adivina porque ha aprendido que la luz de mayor frecuencia transporta más energía. Dicho así, esto no es cierto.

La afirmación es que un fotón de frecuencia $\nu$ lleva una energía $\nu \hbar$ proporcional a la frecuencia. Sí, la energía por fotón aumenta con la frecuencia. Pero esto no hace una afirmación sobre la energía global de un rayo de luz:

La energía de un rayo de luz viene dada por su intensidad. Todo el concepto de fotones consiste en tomar la luz y dividirla en pequeños paquetes. Esos pequeños paquetes son los fotones, que transportan la energía del rayo de luz. El tamaño de los fotones $\nu \hbar$ no determina la energía global del rayo, sino simplemente en qué envases viene.

Para ir más lejos: ¿Por qué utilizar la radiación infrarroja para calentar cosas como el cuerpo? Porque lo que depende de la frecuencia de la luz también, es el coeficiente de absorción de un medio, como por ejemplo tu cuerpo. Y si te fijas en esto:

Se puede ver que, para el agua (que constituye la mayor parte de la materia de nuestro cuerpo), la radiación infrarroja se absorbe mejor que la luz azul o UV. Por supuesto, también se podría utilizar la luz azul o UV para calentar, y sólo tomaría más tiempo, pero también sufriría de la luz UV, porque, a diferencia de la luz infrarroja, la luz UV destruye el ADN y las células del cuerpo.

Answer 5

Si he entendido bien tu pregunta, puede que estés confundiendo dos conceptos diferentes pero relacionados: el de temperatura y el de calor. Cuando digo que siento "calor" estoy mezclando la noción de temperatura y de calor. En una sustancia hay movimiento molecular, y cuanto más movimiento molecular haya, mayor será la temperatura. Pero esto no es lo mismo que el calor (en el sentido de la física). El calor es la transferencia espontánea de energía de un sistema a otro que no se puede atribuir al trabajo realizado sobre o por el sistema. $\textit{The way}$ en la que se realiza esta transferencia, es en nuestra experiencia común vista a través de la radiación. Así que en la práctica podríamos tener un material muy caliente (moléculas de alta energía cinética) parte de esta energía puede entonces ser liberada en el espectro óptico o infrarrojo.

El sol libera algunos rayos ultravioleta y, aunque pueden ser peligrosos para la piel, una plancha al rojo vivo es el método preferido de un sádico torturador. El dolor que siento por la plancha al rojo vivo puede ser presagiado por el tono rojo pero el dolor que siento es como resultado del movimiento molecular de las moléculas y los átomos de la plancha que transfieren su energía mecánica a los átomos de mi piel.