¿La radiación térmica del aire caliente y húmedo del exterior hará que una persona en el interior se sienta más caliente que si estuviera fresca o seca en el exterior?

La hipótesis es la siguiente: Las moléculas de agua, debido a su asimetría y dipolo eléctrico, son particularmente susceptibles a la radiación en frecuencias específicas. Eso sugiere que las moléculas de agua excitadas también irradiarán a esas frecuencias específicas. Por lo tanto, la energía térmica en el aire húmedo se irradiará de manera desproporcionada a aquellas frecuencias más favorables para transferir energía cinética a otras moléculas de agua. Estoy proponiendo que este efecto es perceptible en un día caluroso y húmedo.

Por "radiación térmica" en este contexto me refiero a la radiación electromagnética en el rango espectral que transfiere energía térmica de la manera más efectiva entre cuerpos materiales físicamente separados. Especialmente los cuerpos que contienen una cantidad significativa de H 2 O .

Estoy seguro de que la respuesta teórica es que la radiación térmica (cuerpo negro) del ambiente exterior transferirá energía al ambiente interior. Entonces, la pregunta realmente es, ¿será esto lo suficientemente significativo como para ser perceptible? Durante mucho tiempo he tenido la impresión de que cuando hace calor afuera, siento más calor dentro de un edificio de lo que sentiría con la misma lectura del termómetro de temperatura del aire interior.

Iré tan lejos como para decir que esto es más pronunciado cuando la humedad es excepcionalmente alta. Y planteo la hipótesis de que esto no es simplemente el resultado de una mayor humedad interior. Como sabe cualquiera que tenga experiencia con un horno de microondas, el agua es mucho más susceptible a dicha radiación que las sustancias secas.

Eso significa que el cuerpo humano es más susceptible a la radiación térmica que el aire. También sugiere que el aire húmedo será un radiador de cuerpo negro más fuerte de exactamente aquellas frecuencias que comunicarían energía térmica a otros. H 2 O moléculas a través de la radiación electromagnética.

¿La radiación térmica del aire exterior significativamente más caliente hará que una persona en el interior se sienta más caliente a la misma temperatura del aire interior?

Como otra consideración en este sentido, ¿el aire caliente en un ático tendría el mismo efecto perceptible?

Encontré lo siguiente mientras investigaba este tema. No tengo acceso al artículo completo, pero el resumen da un poco de apoyo a mi hipótesis.

Se ha desarrollado un dispositivo para la medición cuantitativa conveniente de la radiación térmica de la atmósfera. En el instrumento, el espectro de emisión de la atmósfera terrestre observado a nivel del suelo se compara automáticamente con un espectro que se aproxima al de un cuerpo negro en el punto de ebullición del nitrógeno líquido a la presión atmosférica. Las características más destacadas del espectro atmosférico entre 4 μ y 15,5 μ, observadas durante el día y la oscuridad cuando el cielo está despejado, se deben a la emisión de dióxido de carbono, ozono y vapor de agua; la intensidad de la emisión de vapor de agua muestra variaciones pronunciadas con la temperatura y la humedad atmosférica. El espectro de un cielo cubierto se parece al de un cuerpo negro. Al comparar las trazas registradas de los espectros atmosféricos con trazas similares obtenidas con una fuente de cuerpo negro,

© 1955 Sociedad Óptica de América

Este documento parece abordar la física relevante aplicable a mi pregunta. Desafortunadamente, no tengo tiempo en este momento para leerlo.

Radiación y transferencia de calor en la atmósfera: un enfoque integral sobre una base molecular

"Como sabe cualquiera que tenga experiencia con un horno de microondas, el agua es mucho más susceptible a esa radiación que las sustancias secas". Solo quiero señalar que los hornos de microondas no cocinan por radiación térmica. No cocinan los alimentos por transferencia de calor. El mecanismo principal implica el acoplamiento del campo eléctrico alterno de 2450 MHz con el momento dipolar de las moléculas de agua. El campo realiza trabajo sobre las moléculas haciendo que giren y adquieran energía cinética de rotación. Eso, a su vez, aumenta la energía cinética de traslación que eleva la temperatura del agua en los alimentos.
Supongo que tenemos diferentes definiciones de radiación térmica. Lo que estás describiendo es transferencia de energía a una frecuencia específica. Esa frecuencia cae en el espectro de "radiación térmica" por la definición vaga que di al publicar mi pregunta.
Por cierto, ¿alguna vez has notado que la miel es incluso más receptiva que el agua?
Pero te das cuenta de que los hornos de microondas no cocinan por transferencia de calor radiante, ¿correcto?
Si su punto es que la fuente de la radiación no es térmica, entonces sí. Yo solía ser un técnico de radar. Simplemente estaba señalando que las moléculas de agua son participantes más activos en los intercambios de energía a través de la radiación EM que la mayoría de las sustancias.
OK, solo quiero asegurarme de que estamos en la misma página
No tengo claro dónde se encuentra la persona "adentro". ¿Están de pie junto a la ventana mirando hacia un lugar sombreado, sentados en un comedor lejos de las ventanas, etc.? Si el aire interior y exterior están a la misma temperatura, la transferencia neta de radiación aire-aire es cero, si los coeficientes de emisividad son lo mismo. Esto es demasiado amplio o poco claro o ambos.
Además, "sentirse más cálido" es una medida subjetiva. Una persona de Minnesota sentirá más calor que una persona de Baton Rouge, LA, en condiciones idénticas. Y la humedad afecta la "sensación de calor" debido al factor de evaporación de la humedad de la piel.
@BillN He considerado todo lo que dices. "Durante mucho tiempo he tenido la impresión de que cuando hace calor afuera, siento más calor dentro de un edificio de lo que sentiría con la misma lectura del termómetro de temperatura del aire interior". … "Supongo que esto no es simplemente el resultado de una mayor humedad interior". Para ser claros, estoy hablando de cuando hace un calor y una humedad excepcionales por la noche.
Así que esta es una consideración totalmente subjetiva. Usted dice "Me siento más cálido... de lo que lo haría de otro modo". ¿No tiene una medición objetiva ni ningún consenso de un estudio de grupo?
@BillN No. Solo la hipótesis está motivada parcialmente por la percepción personal. El resto está bien fundamentado en la física teórica. Así es como funciona la ciencia.

Respuestas (3)

Como regla general, los gases no se comportan como cuerpos negros. A menos que la longitud de onda de la luz coincida con una excitación de las moléculas de gas, el gas es transparente a la luz. Supongo que podrías describirlo como un cuerpo negro con una capacidad de absorción y emisividad de cero, pero esta parece una descripción bastante excéntrica.

Los gases normalmente intercambian calor por convección. En la Tierra eso significa que el Sol calienta el suelo por radiación, el suelo calienta el aire por convección y el aire te calienta por convención.

Usted menciona específicamente el vapor de agua, y el vapor de agua tiene transiciones vibratorias en el infrarrojo. Este gráfico de Wikipedia muestra el espectro de absorción del vapor de agua en el infrarrojo:

Espectro de absorción de agua

Sin embargo, la longitud de onda máxima del cuerpo negro para 25 °C es de alrededor de 10 micrones y, como sucede, hay una caída en la absorción en esta longitud de onda.

Entonces, si bien habrá algo de radiación de cuerpo negro del aire caliente, es probable que sea insignificantemente pequeña en comparación con el calentamiento por convección.

Estoy de acuerdo contigo en que los gases de la atmósfera no son muy "negros", pero como bien apuntas, me interesa especialmente el caso del aire húmedo. Especularé que, dado que las moléculas de agua tienen estados de excitación específicos, lo que puede ser más significativo es la radiación correspondiente a esos estados. El aire caliente y húmedo excitará las moléculas de agua a través de las colisiones. Cuando las moléculas vuelvan a su estado fundamental, irradiarán a su frecuencia de excitación. Ese será exactamente el tipo de radiación que calentaría el agua.
Voté a favor de su respuesta, pero no la acepté. Eso indica que la respuesta fue útil para el objetivo de validar la hipótesis. Más concretamente, me ayudó a refinar la hipótesis y expuso el descuido de mi especulación original. Pero, mis objeciones siguen en pie. Lo que estoy sugiriendo es que las moléculas de agua en el aire caliente y húmedo son inducidas por colisiones para radiar a frecuencias que serán fácilmente absorbidas por otras moléculas de agua. Creo que este efecto será más pronunciado que la simple radiación y absorción del cuerpo negro.

Cuando hace calor afuera, generalmente hace sol afuera. En ese caso, el sol entrará por tus ventanas y calentará el suelo, lo que hará que tu casa sea más cálida. Por supuesto, estás sugiriendo que es cuando la casa está a la misma temperatura, a lo que pregunto, ¿cómo sabes que está a la misma temperatura? Los termómetros de aire acondicionado no son una fuente muy precisa de lectura de temperatura para toda su casa. Como muestra mi fuente, la temperatura se mide dentro de la unidad de aire acondicionado, que no sospecho que esté en el medio de su sala de estar. Probablemente esté escondido en algún lugar de su sótano, donde se siente más frío que el resto de su casa.

Si su hogar estuviera a una temperatura razonablemente baja, la velocidad a la que vuelve a irradiar calor a su entorno sería lo suficientemente rápida como para que cualquier radiación de cuerpo negro de baja energía (es decir, cualquier radiación que no sea radiación del sol) sea insignificante. y es poco probable que notes sus efectos de calentamiento sobre ti mismo sobre el resto del aire que te rodea.

Solía ​​atribuir la percepción enteramente a la radiación solar. La primera vez que lo noté fue mientras trabajaba en la camioneta de control de un sistema de misiles mientras estaba bañado por la radiación solar. Pero también he notado el mismo tipo de cosas por la noche cuando el aire en el ático encima de mí estaba caliente. Estoy en un apartamento con un termostato local y estoy sentado a 0,2 metros de distancia. La temperatura es ~6 F más baja de lo normal y todavía siento calor. Y hace calor y humedad afuera. No hay luz solar directa que golpee esta unidad que está a dos pisos del techo.
Creo que la transferencia de calor más significativa a mi entorno sería a través de la conducción térmica y no de la radiación. Mi evaluación intuitiva está de acuerdo con la tuya. Ingenuamente, espero que la transferencia de calor por radiación del aire exterior sea insignificante. La razón por la que pregunto es que mi percepción parece contradecir esa predicción.
@StevenThomasHatton No soy un experto en este campo, solo di la mejor explicación que pude. A ver si alguien más tiene una explicación más clara.

La radiación térmica del aire exterior no puede DIRECTAMENTE hacer que se sienta más cálido en el interior, porque las paredes y ventanas ordinarias son opacas a la radiación térmica . No "translúcido", sino opaco.

La radiación térmica del exterior es absorbida por las ventanas y las paredes y luego se vuelve a irradiar tanto en el exterior como en el interior. Si la temperatura exterior es más alta, el edificio absorberá calor y sus ventanas y paredes se calentarán.

En el interior, las paredes te irradian calor y tú les devuelves el calor. Cuanto más cálidas sean las paredes en relación con usted, más cálido se sentirá, suponiendo que la temperatura y la humedad del aire interior se mantengan constantes.

Entonces, ¿por qué te sentiste más cálido cuando afuera estaba más húmedo ? Probablemente también estaba más húmedo adentro , y eso te hará sentir más cálido.

La radiación térmica del Sol en el rango visible pasa bastante bien a través del vidrio de la ventana. Dado que las frecuencias relevantes probablemente estén cerca de los 2,45 GHz, esto, suponiendo que sea correcto, probablemente sea aplicable. blog.ibwave.com/…
Bueno, en el sentido más técnico, supongo que la luz visible del Sol también es radiación térmica. Las microondas de 2,45 GHz también pueden serlo, pero no contribuyen significativamente a la energía total; recuerde, una fuente térmica que alcanza un máximo de 2,4 GHz está en Kelvin de un solo dígito.
Adición debido a un desafortunado tiempo de espera de edición: la radiación térmica a temperaturas normales (293 K) alcanza un máximo de alrededor de 10 micrones. El vidrio es bastante opaco en longitudes de onda en ese rango. Desde una fuente de 5000K como el Sol, la proporción de energía radiante que cae en el rango de microondas es insignificante.
¿La radiación térmica del aire caliente y húmedo del exterior hará que una persona en el interior se sienta más caliente que si estuviera fresca o seca en el exterior?
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