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

La región infrarroja es una parte del espectro electromagnético que es principalmente responsable de la transferencia de calor por radiación en nuestra vida cotidiana. 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 para que el cuerpo brille visiblemente rojo. A temperaturas más altas, el cuerpo es de color amarillo brillante o blanco azulado y emite cantidades significativas de radiación de longitud de onda corta, incluidos los rayos ultravioleta e incluso los rayos X. La superficie del sol (~6000 K) emite grandes cantidades de radiación infrarroja y ultravioleta; su emisión alcanza su punto máximo en el espectro visible.

Las ondas electromagnéticas con frecuencias un poco más altas que las infrarrojas son luz visible. Por tanto, aunque también llevan calor, se identifican principalmente con la información que nos llega a través de los ojos.

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

Aclaración
En termodinámica/mecánica estadística, el 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 la radiación. Los rayos de calor no son un término físico, no deben interpretarse literalmente como "rayos que transportan calor". Pero la razón por la que usamos este término para describir la radiación infrarroja es la que explico 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 en el número de fotones,$n_\nu$, es decir, la energía absorbida a una frecuencia dada es

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

Sí. Y esa energía fotónica$E$es dado por

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

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

A juzgar por 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 bajas deberían transportar más energía y deberían poder aumentar la energía interna del objeto que la absorbió mucho más que los rayos infrarrojos.

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

"a medida que asciende en frecuencia de la luz infrarroja a la luz visible, absorbe (la energía) con más y más fuerza. En el rango ultravioleta más bajo, toda la radiación ultravioleta del sol se absorbe en una fina capa exterior de su piel. A medida que se mueve más arriba en la región de rayos X del espectro, te vuelves transparente nuevamente, porque la mayoría de los mecanismos de absorción han desaparecido. Entonces absorbes solo una pequeña fracción de la radiación, pero esa absorción involucra los 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 los infrarrojos, es decir, no crean una sensación de calor en la piel.

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

"Cuando los rayos ultravioleta llegan a la piel, dañan las células de la epidermis. En respuesta, el sistema inmunitario aumenta el flujo sanguíneo a las áreas afectadas. El aumento del flujo sanguíneo es lo que le da a las quemaduras solares su enrojecimiento característico y hace que la piel se sienta caliente al tacto. "

Espero que esto ayude.

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

Sí, es un nombre un poco inapropiado, pero es informal. Es la abreviatura de "los rayos que no vemos, pero que 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 piensa que el infrarrojo está "a cargo" de transmitir el calor, tendrá una visión inexacta.

Por supuesto, otras radiaciones EM también pueden calentar las cosas, pero rara vez sentimos calor por ellas, y si lo hacemos, es algo malo. Los rayos X de alta energía pueden calentar el tejido, al igual que las microondas, pero tratamos de evitar tales exposiciones. Por lo tanto, en la experiencia cotidiana, si siente calor proveniente de algo caliente (pero el aire ambiental no está tan caliente), entonces su piel está "viendo" un infrarrojo brillante.

El calor es lo que sientes en tu piel, no cualquier energía. probablemente le hicieron radiografías en algún momento. tienen mucha energía, pero ¿sentiste calor?

Es simplemente una cuestión de percepción y lenguaje. Percibimos (algo de) el espectro infrarrojo como calor, mientras que percibimos el espectro visible como luz.

He aquí un experimento que podría intentar fácilmente. Encuentre una bombilla incandescente de 60 vatios anticuada, que emite una gran cantidad de infrarrojos junto con la luz visible. Coloque su mano a unas pocas pulgadas/cm de ella. Sientes calor, ¿no? Ahora tome una bombilla LED que emita los mismos lúmenes de luz visible y sostenga su mano a la misma distancia. Apuesto a que no sientes nada de calor, ¿verdad? Eso es porque la bombilla emite muy poco infrarrojo.

Si realiza una búsqueda, por ejemplo, "espectro de emisión de lámparas LED", encontrará más detalles sobre qué tipo de radiación emiten las bombillas LED y otras fuentes de luz.

Llego tarde a la fiesta, pero siento que aún falta aclarar algunos puntos.

IR es el mecanismo de calentamiento más eficiente para la materia orgánica debido a 2 ingredientes:

1. Es absorbido resonantemente por fonones,

2. La contribución fonónica al calor específico y, por lo tanto, a la energía interna de la materia en condiciones normales es dominante.

La luz visible también es absorbida por la materia, lo que provoca transiciones de banda de conducción de valencia por parte de los electrones. A pesar de que la energía fotónica respectiva es mayor ($h\nu_\mathrm{viz}\gg h\nu_\mathrm{IR}$), el efecto neto es muy pequeño debido a la diferencia de calores específicos de electrones y fonones. Esto se puede rastrear de nuevo a dos puntos:

1. A la relación de masa grande$M/m_e\gg1$.$M$es la masa de los núcleos,$m_e$es la masa del electrón.

2. En los materiales orgánicos casi no hay electrones móviles libres.

Algunas excepciones a estos argumentos aclaran aún más las cosas: en los metales a temperaturas muy pequeñas, la contribución electrónica a la energía interna es mayor que la contribución fonónica. ¿Por qué? De nuevo por dos puntos:

1. Hay electrones libres.

2. Los fonones están congelados (por ejemplo, como predice el modelo de Debye). El calor específico de los electrones varía como$T$(linealmente con la temperatura, mientras que el calor específico de los fonones como$T^3$(sobre la base del modelo de Debye para$T\ll T_D$, por debajo de la temperatura de Debye$T_D$).

Sin embargo, tampoco puede calentar metales de manera eficiente con luz visible debido a los reflejos. Esto tiene que ver con concentraciones electrónicas típicas.$n$que es tal que la absorción dominante de metales está en el rango de frecuencia UV (plasmones) o incluso más bajo debido a$d$-$d$transiciones Con el aumento de la energía del fotón, muy pronto la ionización comienza a dominar. Los electrones fotoionizados pueden, en principio, calentar el sistema, sin embargo, estamos aquí en un régimen completamente diferente.

Hay buenas respuestas de @rogervadim y @bobd, y siento que necesito agregar un buen ejemplo de por qué, como usted dice, clasificar solo IR como rayos de calor es un nombre inapropiado.

Mi ejemplo favorito son las piezas de metal calientes que brillan intensamente, que emiten un espectro más amplio de transferencia de calor radiativo, incluidos IR y visible. El metal caliente está tratando de alcanzar el equilibrio térmico con su entorno de todas las formas posibles, y esto incluirá también la emisión de luz visible (que no sea IR, por supuesto). Creo que, como usted dice, es un nombre inapropiado porque en este ejemplo puede ver bellamente cómo el objeto está disipando el calor, incluida la luz visible, por lo que clasificar solo los IR como rayos de calor no es correcto. Lo que es correcto decir es que debido a que nuestro universo es fundamentalmente mecánico cuántico, los procesos involucrados en la transferencia de calor también se basan en última instancia en QM (pero ciertamente algunos pueden explicarse de manera clásica), y una de las razones fundamentales por las que se "inventó" QM fue la catástrofe UV, como puede ver en las otras respuestas,

Pero la respuesta final es que la transferencia de calor por radiación puede incluir (y a veces lo hace) otras longitudes de onda de luz IR, incluida la visible, por lo que clasificar la transferencia de calor por radiación exclusivamente como IR no es correcto.

Toda luz lleva energía.

Tiene toda la razón acerca de que todas las formas de radiación electromagnética transportan energía, y puede consultar la respuesta de Bob para conocer los detalles técnicos. También es bastante falso que solo la radiación infrarroja calentará las cosas, pero hay algo de verdad oculto en los conceptos erróneos comunes, así que analicemos las cosas.

Hablaré sobre cómo varias frecuencias (y su longitud de onda correspondiente) interactúan con su cuerpo y de dónde pueden provenir.

Mis cifras serán aproximadas, ya que estoy tratando de transmitir una idea de lo que está sucediendo, no valores o nombres exactos.

Ondas de radio

Las ondas de radio son realmente un término bastante amplio, que van desde ondas de unos pocos Hz hasta GigaHerz. Empecemos por el extremo inferior.

Ondas de radio muy largas

A frecuencias de hasta 1 kHz, su longitud de onda es de al menos 300 km (300 Mm/s / 1000 /s). Eso significa que tu cuerpo es completamente insignificante en comparación con la ola que pasa sobre él. Apenas interactúa con él en absoluto. Interactuar con estos de manera eficiente requiere algo con un tamaño del orden de un planeta. La principal fuente natural de ellos son los rayos.

Todavía ondas de radio largas

Saltando varios órdenes de magnitud, hasta 1 MHz, las longitudes de onda siguen siendo de al menos 300 m. Tu cuerpo todavía no interactúa realmente con él, siendo más de 2 órdenes de magnitud más pequeño.

Ondas de radio y microondas más cortas

Subiendo a 1 GHz, estamos empezando a entrar en el ámbito de la radiación de microondas, aunque llamarlas ondas de radio sigue siendo correcto. Las longitudes de onda pueden ser tan cortas como 0,3 m (30 cm), y no estamos lejos de la frecuencia del horno de microondas típico (2,45 GHz, con una longitud de onda de unos 12,5 cm).

A medida que atraviesa este rango de frecuencia, comienzan a interactuar cada vez más con los cuerpos humanos. Es posible que haya notado cómo las señales de TV y radio se ven afectadas por su mera presencia cerca de la antena. Sin embargo, la cantidad de energía involucrada tiende a ser bastante baja, y cuando interactúan contigo, la energía depositada se distribuye por todo tu cuerpo, por lo que no la sentirás en tu piel.

microondas

Subiendo a 1 THz, la longitud de onda se reduce a 0,3 mm (300$\mu m$). Utilizado principalmente para comunicaciones inalámbricas de gran ancho de banda y radares, este comienza a entrar en el rango de frecuencias que interactúa principalmente con tu piel, y realmente lo sentirás. La historia cuenta que el uso de microondas para calentar alimentos fue descubierto por un ingeniero de radar cuya barra de chocolate se derritió cuando caminaba frente a una antena. Sin embargo, eso es a un nivel de potencia muy alto, y normalmente no los encontrará fuera de un horno de microondas.

El fondo cósmico de microondas está a 160 GHz y es un emisor de cuerpo negro a unos 3 Kelvin.

Infrarrojo

Estoy ralentizando un poco nuestros pasos ahora, ya que están comenzando a ocurrir muchos cambios interesantes.

Infrarrojo lejano

Para nuestros propósitos, definiremos "infrarrojo lejano" como todo hasta 100 THz (longitudes de onda de hasta 3$\mu m$). Al igual que las microondas cortas, estas interactúan con la piel y, a diferencia de las microondas, las temperaturas del cuerpo negro asociadas con ellas alcanzan los 80 grados centígrados, más allá de la temperatura del cuerpo humano.

A medida que la emisión de cuerpo negro aumenta en la cuarta potencia de la temperatura, esto comienza a involucrar cantidades significativas de energía, y aquí es donde comienzas a sentir la presencia de cosas cálidas.

Como este rango también incluye la mayoría de las temperaturas que normalmente encontramos, las cámaras térmicas lo utilizan.

Con todo, no es extraño que con frecuencia se le llame "infrarrojo térmico".

Infrarrojo Medio y Cercano

No cambia mucho a medida que la frecuencia aumenta a 430 THz (700 nm), excepto que las temperaturas del cuerpo negro suben a alrededor de 4 kilokelvin y las energías radiativas involucradas continúan aumentando en la cuarta potencia de la temperatura. Esto es lo que sientes cuando estás cerca de un fuego o una bombilla incandescente.

Parte de esta gama se utiliza para cámaras térmicas destinadas a rastrear fuentes de calor de alta temperatura, generalmente los motores térmicos que alimentan tanques, jets y cohetes.

Luz visible

Subiendo a 750 THz, la longitud de onda continúa disminuyendo hasta aproximadamente 400 nm. No hay tantos cambios en comparación con el infrarrojo cercano, pero hay algunos puntos notables.

• Aproximadamente la mitad de la energía solar que llega a la superficie de la tierra se encuentra en este rango, similar a la cantidad de energía infrarroja.
• Es absorbido por la piel de manera similar a los infrarrojos. Ciertamente no es el caso de que este sea un tipo de radiación completamente diferente.
• Las temperaturas del cuerpo negro involucradas son similares a las de la superficie de las estrellas, razón por la cual los colores de las estrellas en su mayoría abarcan este rango.
• Las energías de los fotones están comenzando a ser lo suficientemente grandes (del orden de 1 electrón-voltio (eV)) para hacer cosas interesantes. Esto, junto con el hecho de que la atmósfera es muy transparente en este rango, permite cosas como receptores de luz y ojos. (los 'ojos' infrarrojos tienden a usar calentamiento localizado para la detección, lo que requiere "tamaños de píxel" mucho más grandes)

Ultravioleta

El ultravioleta se llama así porque está más allá del violeta: no podemos verlo. A medida que aumentan las frecuencias, más cosas comienzan a cambiar.

Hasta 1 PHz (300 nm), es posible que los humanos no puedan verlo, pero eso no significa que otros animales no puedan.

Más allá de 1,5 PHz (menos de 200 nm), la absorción atmosférica aumenta repentinamente, ya que la energía del fotón se vuelve lo suficientemente alta como para ionizar el oxígeno. Incluso a frecuencias más altas, también interactuarán con el nitrógeno.

A medida que aumenta la energía de los fotones, aumenta la cantidad de moléculas que los fotones pueden romper, lo que aumenta el potencial de daño y quemaduras solares, aunque ninguna luz ultravioleta parece ser completamente segura.

La salida de luz del sol en ultravioleta cae con bastante rapidez, a medida que superamos la temperatura de su cuerpo negro.

La luz ultravioleta sigue siendo mayormente absorbida por la piel, pero si tu piel se siente caliente debido a la radiación ultravioleta, sufrirás una terrible quemadura solar rápidamente.

Una vez que superamos los 30 PHz (10 nm), cruzamos el umbral bastante arbitrario en

Rayos X

Los rayos X comienzan 'suaves', lo que significa que no penetran mucho y son fuertemente absorbidos por el aire, pero a medida que aumentan las frecuencias, las longitudes de onda se acortan y aumenta la energía de los fotones. Alrededor de 10 keV (120 pm, 12,5 EHz), la profundidad de penetración comienza a exceder 1 mm, cruzando el territorio de "Rayos X duros". Los rayos X duros penetrarán más profundamente, permitiéndoles distribuir su energía más allá de su piel. Nuevamente, si siente efectos de calentamiento por esto, debería preocuparse por la dosis letal de radiación ionizante que acaba de recibir.

Rayos gamma

La diferencia entre los rayos X y los rayos gamma es su origen: los rayos X se generan mediante procesos electrónicos, mientras que los rayos gamma se generan mediante procesos nucleares. Sus rangos de energía se superponen, pero un fotón de rayos gamma típico podría estar a 300 EHz (1 pm, 1,25 MeV). Se comportan de manera similar a los rayos X duros, pero a mayor energía, más aún.

Conclusión

Toda la luz transporta energía, pero en la experiencia humana típica, solo la luz infrarroja y la luz visible se sentirán como un calor significativo. La luz visible también suele estar acompañada de luz infrarroja, por lo que no es extraño suponer que el calor es transportado (solo) por la luz infrarroja.

Sin embargo, si camina bajo el sol y siente su irradiación de 1 kW/m^2, aproximadamente la mitad de la energía que lo calienta es en realidad luz visible, no infrarroja.

Además, si usa una cámara térmica, en realidad está midiendo una banda específica en luz infrarroja, y hay varias bandas de este tipo según lo que esté buscando. (animales y su entorno, o el escape de los motores térmicos)

Es porque son emitidos por objetos que en la vida diaria consideramos calientes. Nuestra piel es sensible a estos por lo que podemos evitar quemarnos. También detectamos ausencia de olas de calor como de frío, por lo que podemos evitar la hipotermia.