Influencia de las pérdidas de calor por convección y radiación en experimentos fototérmicos

Abstract

RESUMEN: En éste trabajo se demuestra que en experimentos fototérmicos a bajas frecuencias de modulación se deben tener en cuenta las pérdidas de calor por convección y radiación (CRHL) en materiales malos conductores del calor. Se resuelve la ecuación de difusión de calor en presencia de una fuente periódica considerando CRHL. En la solución se define una variable adimensional, M, dependiente de la frecuencia, con el fin de dar un criterio matemático para despreciar las pérdidas. Este criterio es M=ZH>>1, donde Z es la impedancia térmica de la muestra y H el coeficiente de transferencia de calor por convección y radiación. Para demostrar esa hipótesis se hizo uso de un experimento basado en el método de radiometría fototérmica infrarroja. Se utilizaron varios materiales de diferentes tamaños, calentando una de sus superficies por medio un haz de luz (láser) modulado en intensidad a diferentes frecuencias, y se midió la temperatura en la superficie trasera en función del tiempo usando un termómetro infrarrojo (IR). Los gráficos de amplitud de la señal fototérmica en función de la frecuencia de modulación se compararon con el modelo teórico con y sin consideración de CRHL. Se ha encontrado que para malos conductores del calor a bajas frecuencias de modulación el modelo convencional sin CRHL no se ajusta a los datos experimentales, mientras que utilizando el modelo propuesto se encontró una buena correlación. A partir de los ajustes de los datos experimentales con el modelo teórico se obtuvo la difusividad térmica de las muestras. ABSTRACT: This work demonstrates that in photothermal experiments performed in frequency domain the heat losses due to convection and radiation (CRHL) must be taken into account at low frequencies for poor heat conductors. From a model-solution of the heat diffusion equation a dimensionless frequency dependent M-number has been introduced in order to give a mathematical criterion for neglecting CRHL, namely M=ZH>>1, where Z is sample´s thermal impedance and H the convection-radiation heat transfer coefficient. An experiment based in the photothermal infrared radiometry method has been designed to demonstrate the above hypothesis. Disc shaped samples of different test materials were periodical heated at one of their surfaces at different frequencies using an amplitude modulated laser beam, and the temperature at the rear surfaces was monitored as a function of time using an infrared thermometer. Then, amplitude graphs as a function of frequency were compared with a theoretical model with and without CRHL consideration. It has been found that for poor heat conductors at low modulation frequencies the conventional model without CRHL does not fit well the experimental data, while using the proposed model a good agreement was found. From the fits of experimental data to the theoretical model the sample´s thermal diffusivities have been obtained straightforwardly.