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

La respuesta corta es: por supuesto que sí.

La respuesta larga tiene algunas 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 en su mayoría deja pasar la luz visible (sin absorción, sin calentamiento), mientras captura la luz infrarroja (absorción, calentamiento).

El cuerpo humano es mayormente transparente a la luz de muy alta y muy baja frecuencia. La radio pasa directamente, y también lo hacen, 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). Podría haber kilovatios de ondas de radio pasando directamente a través de tu cuerpo sin que notes ningún calentamiento, porque tu cuerpo solo absorbe muy poca de esas frecuencias. Los infrarrojos son muy importantes porque se absorben fácilmente en el agua, y hay mucha agua en el cuerpo humano. Aún así, la luz visible también se absorbe fácilmente en el cuerpo humano; de hecho, siente el calor de la luz visible (si alguna vez ha intentado enfocar una lente en una hoja de papel, lo está haciendo principalmente con luz visible; la luz infrarroja, por supuesto, tiene un enfoque diferente). Sin embargo, en condiciones normales,

Emisión

... la mayoría de las fuentes de luz que nos rodean están bastante cerca de los emisores de cuerpo negro. Es posible que esté familiarizado con la curva bastante distintiva derivada de la Ley de Planck para la emisión de fotones de un cuerpo negro. Ahora compare el área bajo la curva en la región IR con la de la región visible o UV: para fuentes de baja temperatura (bombillas incandescentes simples), el IR domina por completo, e incluso para la luz solar, puede ver que incluso antes de tener en cuenta todos los engaños de la atmósfera, etc., recibimos mucha más luz IR que luz visible. Si bien 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 se absorbe en la atmósfera de todos modos.

De hecho, incluso las bombillas modernas de alta eficiencia todavía tienden a producir más luz IR que luz visible; las fuentes de luz con una eficiencia superior al 50% son bastante raras. Una bombilla de luz 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 infrarroja directa o en cascada a través de su entorno).

IR está en todas partes

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

Todos los objetos emiten luz IR. Todos ellos - y en proporción a su temperatura. Es por eso que IR se asocia comúnmente con el calor: la habitación que lo rodea está caliente con radiación IR, la computadora debajo de su escritorio está caliente con radiación IR, usted está caliente con radiación IR. Eso es lo que hace que la visión térmica pasiva funcione: diferentes objetos tienen diferentes temperaturas y diferentes emisividades, lo que hace que se destaquen entre sí en un sensor IR.

¿De cuánto calor estamos hablando? Comparemos con el Sol, solo por diversión. La luz del sol proporciona alrededor de 1100 W por metro cuadrado a nivel del suelo (hay muchos promedios diferentes; este es básicamente el valor al mediodía en el ecuador con una cobertura de nubes promedio). Fuera de esto, alrededor del 55% es luz infrarroja y alrededor del 42% es visible (¿ves? Incluso después de todo, tanto IR es absorbido en la atmósfera, todavía domina a nivel del suelo :)). Entonces, digamos que obtiene alrededor de 500 W de calor IR en el nivel de la superficie por metro cuadrado. No es algo para estornudar, ciertamente. Sin embargo, pongámoslo en términos humanos.

Tome un humano desnudo y colóquelo en ángulo hacia el Sol. El área de la superficie humana en promedio es de aproximadamente dos metros cuadrados, y la mitad de eso está de espaldas al Sol, por lo que en un gran día, podría absorber tanto como esos 500 W de luz IR. Lo suficientemente cerca para nuestros propósitos :) Pero hay que tener en cuenta otra cosa: el cuerpo humano también es un emisor de infrarrojos, y bastante bueno. ¿Cuánta energía emite un humano típico cuando está inactivo? Aproximadamente 1000 W. Sí, casi toda la luz solar entrante en el lugar más iluminado de la Tierra al mediodía. Entonces, ¿por qué sentimos calor de todos modos?

Porque la luz del sol 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, recuperarás unos 900 W. Por lo tanto, su pérdida radiativa neta es de solo 100 W, en lugar de 1000 W. Y sucede que la pérdida promedio de calor en reposo del cuerpo humano es de alrededor de 100 W, por lo que una habitación a 25° C sin luz solar directa se siente cómoda: 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. Agregue una bombilla de 100 W y estará completamente caliente :)

Los fotones IR tienen una energía muy baja.

Ahora bien, esto puede parecer contrario a la intuición, y eso se debe a que se dirige principalmente al pensamiento humano, en lugar de a la realidad. Pero para completar: la luz infrarroja tiene efectos insignificantes más allá del calentamiento. No es lo suficientemente energético como para afectar los átomos o los enlaces químicos. Lo único que se mapea bien es los movimientos aleatorios de los átomos y las moléculas, que se suman a lo que llamamos calor.

Por otro lado, si toma algo como la luz visible, más allá de las vibraciones, también obtiene cambios químicos: los electrones se topan con estados excitados, los enlaces químicos (relativamente débiles) cambian; de hecho, es por eso que vemos la luz visible en particular: está más o menos en el punto óptimo 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 IR usan un mecanismo diferente a la electroquímica). La luz ultravioleta se puede absorber fácilmente, pero es lo suficientemente fuerte como para romper incluso los enlaces químicos bastante fuertes, lo que provoca un daño sustancial: así es como la luz ultravioleta destruye el ADN en sus células, por ejemplo (aunque, de nuevo, hay animales que tienen sentidos ultravioleta). muchos insectos lo hacen).

Entonces, existe este extraño sesgo en la mente humana: ves todos esos diferentes tipos de luz, y todos tienen propiedades interesantes... a excepción de IR. Solo calienta cosas, y no mucho más. Vaya a un IR aún más profundo (como microondas u ondas de radio) y obtendrá otros comportamientos interesantes, y mucho menos calentamiento directo, ya que se absorben con menos facilidad.

Conclusión

Nos preocupamos principalmente por la radiación infrarroja en términos de calor, simplemente porque hay mucho en todas partes, y la mayoría de las fuentes de luz visible también involucran una mayor cantidad de luz infrarroja. Sin embargo, tome una fuente de luz visible pura de suficiente potencia (por ejemplo, una bombilla LED fría de alta potencia) y apúntela hacia usted, y sentirá el calor. Usamos muchos láseres de luz visible de alta potencia, y obviamente son bastante buenos para calentar cosas.

Un panel solar fotovoltaico típico captura 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, que en realidad es más un catalizador que la fuente principal de energía; considere qué tan bien funciona su casa). está haciendo la planta a pesar de no recibir luz ultravioleta en absoluto). Necesita un gradiente de energía para realizar 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 una gran posibilidad de que sus hojas reflejen la luz infrarroja incidente en lugar de absorberla, simplemente porque es básicamente calor residual que no desea. Dicho esto, hay organismos fotosintéticos que son diferentes: trabajan con luz IR, roja o azul, según su nicho.

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

Hacemos. Aquí hay dos maneras de demostrarlo.

Primero, la forma recomendada: Obtenga un LED blanco realmente brillante (por ejemplo, una luz de bicicleta de 1200 lúmenes) y mire el espectro en una hoja de datos o con un espectrómetro. Si no confía en eso, coloque un vidrio bloqueador de IR en el frente (por ejemplo, KG1). Pon tu mano en la viga. Sentirás un poco de advertencia, especialmente afuera en una noche fría. Una variación es obtener un LED visible de un solo color extremadamente brillante. En estos días (adición de 2020), los LED de alta potencia pueden proporcionar varios vatios en un rango de longitud de onda visible muy pequeño, por lo que puede sentir fácilmente el calor de (por ejemplo) la luz azul

Ahora la forma no recomendada: Pon tu mano en el haz de un láser visible de al menos 50 mW (más si el haz es ancho). 120 mW de 532 nm (verde) en un punto submilimétrico en el dorso de la mano produce un gran dolor. Con este tipo de potencia, debería usar gafas protectoras, pero no puede ver el haz y puede meter la mano en él accidentalmente al alinearlo. Pero no intentes esto en casa.

Publico esto en respuesta a la respuesta publicada por Quantumwhisp, que explica un mayor calentamiento del cuerpo por luz infrarroja (IR) en comparación con la luz visible/ultravioleta (UV) por un aumento del coeficiente de absorción de luz en el agua con una longitud de onda creciente$\lambda$de UV a luz visible e IR (ver gráfico en la respuesta citada). En mi opinión, esto no es correcto (vea mi comentario a la respuesta citada). Para comparar el efecto de calentamiento de la luz incidente en diferentes regiones de longitud de onda, debe saber cuánta energía de la luz incidente se absorbe en la piel humana . Encontré un artículo científico que informa sobre tales mediciones de la absorción de energía relativa de la luz en pieles de diferentes hombres y mujeres en el rango de longitud de onda de UV ($\lambda=200nm$) a IR cercano ($\lambda=1000nm$)( Penjweini et al.2013 ) que muestra una disminución de la absorción de luz con la longitud de onda en esta región. Un ejemplo de esta disminución de la absorción de luz relativa con$\lambda$(piel de un varón) se ve en el gráfico . Esto muestra que la absorción de la energía de la luz incidente en la piel disminuye con la longitud de onda de la luz ultravioleta a la luz visible e infrarroja cercana y no aumenta como sugiere el coeficiente de absorción del agua. Esto respalda mi explicación anterior de que el calentamiento más fuerte detectado por la radiación IR probablemente se deba al espectro de emisión de energía de los cuerpos calientes, que es similar al espectro de radiación del cuerpo negro de Planck.

Si entiendo su pregunta correctamente, es posible que esté confundiendo dos conceptos diferentes pero relacionados, a saber, el de temperatura y el de calor. Cuando digo que siento "calor" estoy mezclando la noción de temperatura y calor. Hay movimiento molecular en una sustancia, cuanto más movimiento molecular, mayor es la temperatura. Pero esto no es lo mismo que calor (en el sentido de la física). El calor es la transferencia espontánea de energía de un sistema a otro que no puede atribuirse al trabajo realizado sobre o por el sistema.$\textit{The way}$en el que se hace esta transferencia, es en nuestra experiencia común visto a través de la radiación. Entonces, en la práctica, podríamos tener un material realmente caliente (moléculas de alta energía cinética) y parte de esta energía puede liberarse en el espectro óptico o infrarrojo.

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