Luz y energía

La energía de los fotones

La luz del Sol calienta la Tierra.
Esta energía proviene de las ondas electromagnéticas y, en particular, de los fotones que golpean la superficie de nuestro planeta. La luz es una parte de una pequeña gama de vibraciones electromagnéticas que se encuentran en el espectro electromagnético. La atmósfera de la Tierra permite que sólo una pequeña fracción de esta radiación. Las ondas cortas son absorbidas en las capas atmosféricas y las ondas largas son reflejadas. La gran parte de las ondas que nos llegan, son las de la luz visible. La particularidad de la luz es el resultado de la mecánica cuántica para lo cual es tanto una onda tanto una partícula. La luz tiene una longitud de onda, lo que determina el color, el rojo emite en la longitud de onda de 620 a 780 nm, la naranja de 592 a 620 nm, los amarillos de 578 a 592 nm, lo verde de 500 a 578 nm, el azul de 446 a 600 nm y el Violeta de 380 a 446 nm. Las diversas ventanas del espectro electromagnético se caracterizan por una longitud de onda, sino también por un rango de frecuencias definidas. La frecuencia es el número de oscilaciones electromagnéticas que pasan a través de un punto dado en un segundo. Ella exprímase con la unidad de frecuencia que es el hertzio. Más la longitud de onda es corta, más la frecuencia es alta.

Al recibir los rayos de luz del Sol en nuestra piel, somos muy conscientes de que los fotones llevan energía.
Pero, cuanto energía lleva un fotón?
Depende del fotón o más bien depende de la longitud de onda del fotón. Más de la longitud de onda del fotón es corta y más es enérgica.
Esta es la fórmula E = hf que da la energía de un fotón.
E es la energía expresada en julios.
h es la constante de Planck (6,62 x 10-34).
f es la frecuencia.
La energía de un fotón es infinitamente pequeña.

N.B.: La luz es la primaria fuente de energía emitida por el sol. Alimenta a los ecosistemas terrestres a través de la fotosíntesis.

Imagen: El espectro electromagnético incluye todas las ventanas de la luz.
Maxwell determinó que la luz es una onda electromagnética y no hay razón para limitar la longitud de onda este última al intervalo correspondiente al espectro de luz visible, todo el espectro es luz.

¿Cuántos fotones se necesitan para calentar una taza de café?

Depende de la frecuencia, así que del color.
La frecuencia del rojo es de 350 THz y la del azul de 750 THz.
La fórmula E = hf da la energía de un fotón.
Energía de un fotón azul:
E=(6.62x10^-34)x750x10¹² ≈ 10^-18 julios.
1 julio ≈ 10¹⁸ fotones azules.
La caloría es la cantidad de energía requerida para elevar la temperatura de un gramo de agua líquida de 14.5 a 15.5 °C. Esto corresponde a 4.1855 julios.
Para elevar la temperatura de 10 cm3 de café en 50 °C, se requieren aproximadamente 100x50x10¹⁸ o 10²¹ fotones azules y 10²² fotones rojos.
Cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es la energía de la radiación.

¿Cuál es la energía solar recibida por la Tierra?

La temperatura promedio actual de la Tierra está relacionada con la energía solar media recibida en la Tierra y la distancia Tierra/Sol.
El cálculo de la potencia recibida en la Tierra en vatios por metro cuadrado está dada por :
Pr = x L/4ΠR2 Πr2
El cálculo de la potencia absorbida por la Tierra está dada por Pa = Pr (1-A)
L/4ΠR2 es la constante solar, es igual a 1368 Wm2.
El valor medio (hay un hemisferio que recibe la radiación) es de 342 Wm2 corregido por el albedo, es 239 Wm2.
Pero la Tierra re-emite la luz en el espacio.
La Tierra está en equilibrio termodinámico, es decir, que la potencia absorbida es igual a la potencia re-emitida.
El cálculo de la temperatura media de la Tierra ofrece 255 K, pero el efecto invernadero producido por la presencia de vapor de agua y dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra, aumentando la temperatura de 33 K, por lo tanto es 288 K, alrededor de 15 ° C.

Imagen: El cálculo de la potencia media recibida por la Tierra de la Universidad Pierre et Marie Curie, París VI/p>

Imagen: El cálculo de la potencia media recibida por la Tierra de la Universidad Pierre et Marie Curie, París VI