MODELACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE INSTRUMENTO DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA DE CIELO

CARVALLO VERGARA, GABRIEL ANTONIO (2018)

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Tesis Pregrado

La temperatura de cielo es un concepto potencialmente muy útil en ingeniería pero aún no ha alcanzado reconocimiento masivo. Es un valor que cuantifica todo el complejo comportamiento de los gases de la atmósfera y otras fuentes de radiación electromagnética sobre un punto específico en la superficie terrestre. En simples palabras, equivale a la temperatura que debiera poseer un cuerpo negro que emite la misma energía que emite todo el cielo visible sobre una superficie horizontal definida. Si bien durante el día la radiación incidente en la superficie de la tierra cubre gran parte del espectro electromagnético (a pesar de que disminuye su intensidad y que es filtrada en ciertos rangos de frecuencia al atravesar la atmósfera), durante la noche el rango de frecuencia de la radiación incidente es casi exclusivamente infrarrojo. Además, como es evidente, la intensidad de la radiación en la noche es sustancialmente menor. Por todo esto se puede asegurar que la temperatura de cielo durante la noche siempre es menor a la temperatura ambiente. Veremos que el valor de la temperatura de cielo depende de diferentes factores ambientales. Por ejemplo, una mayor nubosidad hará aumentar la temperatura de cielo (disminuyendo el calor por radiación que una superficie podría emitir hacia el cielo) mientras que un cielo despejado la disminuirá (aumentando la emisión de calor por radiación desde la misma superficie). Siempre que sea medida durante la noche, su valor será menor que la temperatura ambiente, pudiendo tomar valores entre 5°Cmenor, en un clima caluroso y húmedo, y aproximadamente 30°C por debajo de dicha temperatura, en un clima frío y seco [1].El procedimiento para la elaboración del instrumento que determinará la temperatura de cielo es simple: se debe aislar térmicamente lo más posible una placa de cierto material para que disminuyan los efectos de la conducción y convección a valores lo más bajo posibles, esto se logra colocándola dentro de una caja plástica aislada con una capa de lana de vidrio, y además se debe colocar una fuente de calor conocida y constante dentro de ella. También se debe dejar esta placa expuesta al cielo con un orificio en la parte superior de la caja. Así hay certeza de que su único intercambio de energía al medio ambiente sea el calor recibido por esta fuente controlada, la radiación que recibe y emana de la placa y la convección con el aire que la rodea. Con esto se puede asegurar que los cambios de temperatura que experimente serán producto de las tres formas de intercambio de calor previamente mencionadas. Las mediciones se realizarán principalmente de noche y por lo tanto se puede prever que el cielo tendrá una energía por radiación menor que la de la placa caliente. Por ende, será dicho material el que emitirá la mayor cantidad de radiación al cielo y no viceversa. Luego la placa tendrá una temperatura menor a la que tendría en una zona cubierta. Al conocer los resultados medidos, se podrá obtener empíricamente la temperatura de cielo.

The sky temperature is a concept that could be very useful in engineering but it hasn’t reached massive recognition yet. It is a value that quantifies the whole complex behavior of atmospheric gas and other sources of electromagnetic radiation reaching a specific place on the earth surface. In simple words, it equals the temperature a black body should have if it emitted the same energy that the whole visible sky emits on a defined horizontal surface. The radiation during the day covers most of the spectrum (despite of being filtered by the atmosphere), but during the night the frequency range is completely infrared. Also, the intensity of the radiation at night is much lower. Because of this, it’s certain that the night sky temperature is always lower that the ambient temperature. We will see that the value of the sky temperature depends on different ambient values that can be measured. For example, a more cloudy sky means a higher sky temperature (decreasing the amount of radiation heat the surface emits to the sky) while a clear sky means a lower sky temperature (increasing the radiation heat emitted to the sky by the surface) As long as it’s measured during the night, it’s value will be lower than the ambient temperature, between 5°C lower, in a moist and hot weather, and 30°C lower than the ambient temperature in a cold and dry weather [1]. The process of constructing the instrument that will determine the sky temperature is simple: a metal plaque must be placed inside a box that will be mostly isolated from the outside, expect for a circular hole on the top of it, facing the sky. This way, convection and conduction values will be low. Inside the plaque there is a constant heat source. So with a simple energy balance, considering convection, conduction and radiation we will know the sky temperature of the place. The measurements will mostly be done at night so there is certain that the sky temperature will be lower than the ambient temperature.