Introducción
Un termómetro infrarrojo no mide directamente la temperatura “real” de un objeto. Detecta la radiación infrarroja recibida dentro de un determinado intervalo espectral y calcula la temperatura superficial a partir de esa energía radiante.
Cuando la radiación llega a un material, una parte puede ser absorbida, otra reflejada y otra transmitida a través del material. Al mismo tiempo, cualquier objeto cuya temperatura esté por encima del cero absoluto emite su propia radiación térmica.
Por ello, para comprender correctamente la medición de temperatura por infrarrojos es necesario conocer tres parámetros fundamentales: emisividad ε, reflectividad ρ y transmisividad τ.
Estos parámetros no son independientes. Bajo unas condiciones determinadas de longitud de onda, dirección, temperatura y estado de la superficie, están relacionados mediante un balance energético que influye directamente en el resultado de la medición.
Puntos clave
● La emisividad describe la capacidad de una superficie para emitir radiación térmica.
● La reflectividad describe la capacidad de una superficie para reflejar radiación incidente.
● La transmisividad indica la proporción de radiación incidente que atraviesa un material.
● Para la radiación incidente sobre un material, la absortividad α, la reflectividad ρ y la transmisividad τ cumplen: α + ρ + τ = 1.
● Según la ley de Kirchhoff de la radiación térmica, en equilibrio térmico y para la misma longitud de onda y dirección: ε = α.
● En estas condiciones: ε + ρ + τ = 1.
● Para la mayoría de los materiales opacos utilizados en medición infrarroja, τ≈0, por lo que normalmente puede aproximarse: ε + ρ ≈ 1.
● Las superficies de baja emisividad suelen presentar una alta reflectividad y, por tanto, son más sensibles a la radiación reflejada procedente del entorno.
¿Qué es la emisividad?
La emisividad ε describe la capacidad de una superficie real para emitir radiación térmica en comparación con un cuerpo negro ideal a la misma temperatura.
Para un cuerpo negro ideal:
ε = 1
En los materiales reales, la emisividad suele encontrarse dentro del intervalo:
0 ≤ ε ≤ 1
Muchos materiales no metálicos, recubrimientos y superficies oxidadas presentan una emisividad infrarroja relativamente alta, mientras que las superficies metálicas limpias o pulidas suelen tener valores mucho más bajos.
La emisividad es especialmente importante para los termómetros infrarrojos, ya que el instrumento debe estimar qué parte de la radiación detectada procede realmente de la superficie medida.
Si una superficie tiene una emisividad real de 0,30 y el termómetro está configurado en 0,95, la lectura de temperatura puede presentar un error significativo.
La emisividad no debe considerarse un valor totalmente fijo para cada material. Puede variar según la longitud de onda, la temperatura, la rugosidad superficial, el grado de oxidación, los recubrimientos y el ángulo de observación.
¿Qué es la reflectividad?
La reflectividad ρ representa la fracción de la radiación incidente que es reflejada por una superficie.
Una reflectividad elevada significa que una mayor proporción de la radiación infrarroja procedente del entorno es reflejada por la superficie.
Los metales pulidos, por ejemplo, suelen tener una reflectividad elevada en el infrarrojo. Al medirlos con un termómetro infrarrojo, el detector puede recibir no solo la radiación emitida por el propio metal, sino también radiación reflejada procedente de paredes, máquinas, equipos de calefacción o incluso del operador.
Por este motivo, las superficies con baja emisividad y alta reflectividad son más difíciles de medir con precisión mediante técnicas infrarrojas.
La reflectividad infrarroja no debe confundirse con el aspecto visual. Una superficie brillante o mate para el ojo humano puede comportarse de forma diferente dentro del intervalo espectral de funcionamiento del termómetro infrarrojo.
¿Qué es la transmisividad?
La transmisividad τ es la fracción de la radiación incidente que atraviesa un material.
Muchos materiales sólidos habituales, como metales, madera, paredes, cerámicas y plásticos suficientemente gruesos, pueden considerarse aproximadamente opacos dentro de las bandas espectrales utilizadas por los termómetros infrarrojos comunes. En estos casos:
τ ≈ 0
Sin embargo, algunos materiales pueden transmitir una cantidad significativa de radiación en determinadas bandas infrarrojas. Entre ellos se encuentran ciertas películas delgadas, algunos plásticos y materiales ópticos diseñados específicamente para aplicaciones infrarrojas.
Por ello, la transparencia en el espectro visible no implica necesariamente transparencia en el infrarrojo.
El vidrio común transmite bien la luz visible, pero normalmente no es transparente en el infrarrojo de onda larga utilizado por muchos termómetros infrarrojos portátiles. Por tanto, una medición realizada a través de un vidrio convencional generalmente no representa la temperatura real de la superficie situada detrás.
¿Cómo se relacionan la emisividad, la reflectividad y la transmisividad?
Según el principio de conservación de la energía, la radiación que incide sobre un material puede seguir tres destinos principales:
● Una parte es absorbida por el material.
● Una parte es reflejada por la superficie.
● Una parte se transmite a través del material.
Por tanto:
α + ρ + τ = 1
donde:
● α = absortividad;
● ρ = reflectividad;
● τ = transmisividad.
De acuerdo con la ley de Kirchhoff de la radiación térmica, en equilibrio térmico y para la misma longitud de onda y dirección:
ε = α
Por tanto:
ε + ρ + τ = 1
Esta relación constituye una base fundamental para comprender el comportamiento radiativo de los materiales en el infrarrojo.
En aplicaciones reales, estas propiedades dependen de la longitud de onda. Por ello, la emisividad, la reflectividad y la transmisividad deben analizarse dentro de la banda infrarroja relevante y no como valores idénticos en todo el espectro.
¿Por qué en los objetos opacos suele utilizarse ε + ρ ≈ 1?
En muchos objetos habituales en la medición infrarroja, la transmisión es despreciable:
τ ≈ 0
Al sustituir este valor en:
ε + ρ + τ = 1
se obtiene:
ε + ρ ≈ 1
Esto significa que, para un material opaco, una emisividad elevada suele corresponder a una reflectividad baja, mientras que una emisividad reducida suele implicar una reflectividad alta.
Por ejemplo, de forma conceptual:
● Si ε = 0,95, ρ es aproximadamente 0,05.
● Si ε = 0,80, ρ es aproximadamente 0,20.
● Si ε = 0,20, ρ puede ser aproximadamente 0,80.
Estos valores sirven para ilustrar el balance energético y no deben interpretarse como propiedades fijas de todos los materiales reales.
Esta relación también explica por qué las superficies de alta emisividad suelen ser más fáciles de medir con un termómetro infrarrojo: una mayor proporción de la señal detectada procede del propio objeto y la influencia de la radiación ambiental reflejada es menor.
¿Por qué las superficies de baja emisividad son más difíciles de medir con precisión?
Supongamos que una superficie metálica opaca tiene una emisividad de solo 0,20. En condiciones simplificadas, su reflectividad puede aproximarse a:
ρ ≈ 0,80
En este caso, la superficie emite relativamente poca radiación térmica propia, pero refleja una gran cantidad de radiación infrarroja procedente del entorno.
Si cerca existen calentadores, hornos, maquinaria u otros objetos calientes, su radiación puede reflejarse en la superficie metálica y llegar al termómetro infrarrojo.
Del mismo modo, si el objeto está caliente pero el entorno es mucho más frío, la radiación ambiental reflejada también puede afectar a la medición.
Por tanto, el principal problema de una superficie de baja emisividad no es simplemente que “emita menos infrarrojo”. La dificultad fundamental es que la radiación ambiental reflejada puede representar una proporción mucho mayor de la señal total detectada por el instrumento.
Por este motivo, las superficies de aluminio pulido, acero inoxidable, cobre y otros metales similares requieren especial atención.
¿Una emisividad alta significa siempre una mayor precisión de medición?
No necesariamente.
Las superficies de alta emisividad suelen ser más fáciles de medir porque una mayor parte de la señal procede del propio objeto y la influencia de las reflexiones ambientales es menor.
Sin embargo, la precisión total también depende de otros factores:
● Configuración correcta de la emisividad;
● Tamaño del objetivo en relación con el punto de medición;
● Distancia de medición adecuada;
● Ángulo de medición apropiado;
● Limpieza de la óptica;
● Presencia de vapor, humo o fuentes intensas de radiación infrarroja;
● Precisión especificada y respuesta espectral del instrumento.
La emisividad es, por tanto, un factor importante, pero no el único.
¿Por qué no puede utilizarse simplemente ε + ρ = 1 para materiales transparentes?
Si un material transmite una cantidad significativa de radiación dentro de la banda de funcionamiento del termómetro:
τ ≠ 0
En ese caso, la relación simplificada:
ε + ρ = 1
ya no es válida.
Debe utilizarse la relación completa:
ε + ρ + τ = 1
En un material transmisivo al infrarrojo, el detector puede recibir simultáneamente radiación emitida por el propio material, radiación ambiental reflejada y radiación transmitida desde objetos situados detrás.
La interpretación de la medición es, por tanto, más compleja que en un objeto opaco.
Si es necesario medir a través de una ventana, una película u otro medio transparente, debe verificarse su transmisión espectral dentro de la banda de funcionamiento real del termómetro infrarrojo. La transparencia visible por sí sola no es suficiente.
¿El color visible y la emisividad infrarroja son lo mismo?
No.
El color visible depende principalmente de la absorción y reflexión de la luz en el intervalo aproximado de 380 a 780 nm, mientras que los termómetros infrarrojos trabajan a longitudes de onda considerablemente mayores.
Por tanto:
● Un objeto negro no tiene necesariamente la misma emisividad elevada en todas las bandas infrarrojas.
● Un objeto blanco no tiene necesariamente una baja emisividad infrarroja.
● Un material transparente a simple vista puede ser opaco en el infrarrojo.
● Una superficie que parece poco reflectante visualmente puede presentar una reflectividad infrarroja considerable.
La medición de temperatura por infrarrojos debe basarse en las propiedades radiativas del material dentro de la banda espectral real del instrumento y no únicamente en su apariencia visible.
¿Qué importancia práctica tienen estos parámetros en la medición infrarroja?
Comprender la relación entre ε, ρ y τ ayuda a identificar muchas causas comunes de error.
● Las superficies de alta emisividad, baja reflectividad y baja transmisividad suelen ser las más adecuadas para la medición de temperatura sin contacto.
● Las superficies de baja emisividad y alta reflectividad son más sensibles a la radiación infrarroja procedente del entorno.
● Los materiales transmisivos en el infrarrojo pueden hacer que el detector reciba también radiación procedente de objetos situados detrás.
● En metales brillantes, apuntar correctamente el termómetro hacia el objetivo no siempre es suficiente para obtener una medición fiable.
● Antes de medir a través de vidrio u otro material transparente, debe comprobarse su transmisión dentro de la banda infrarroja del instrumento.
● En termómetros con emisividad ajustable, el valor debe configurarse de acuerdo con el material y el estado real de la superficie.
En superficies muy reflectantes, también debe tenerse en cuenta la presencia de objetos calientes u otras fuentes intensas de radiación infrarroja en el entorno.
FAQ
¿La emisividad y la reflectividad siempre suman 1?
No. La aproximación ε+ρ≈1 solo es válida cuando el material es prácticamente opaco dentro de la banda infrarroja relevante, es decir, cuando τ≈0. Si existe una transmisión significativa, debe utilizarse ε+ρ+τ=1.
¿Una emisividad baja significa que el objeto tiene una temperatura baja?
No. La emisividad describe la capacidad de una superficie para emitir radiación térmica, no su temperatura. Dos objetos a la misma temperatura pueden emitir cantidades muy diferentes de radiación infrarroja si sus emisividades son distintas.
¿Por qué una alta reflectividad afecta a la medición infrarroja?
Porque el termómetro puede detectar radiación del entorno reflejada por la superficie del objetivo. Cuanto mayor sea la reflectividad, mayor será la posible influencia de la radiación ambiental en la medición.
¿Un material transparente tiene siempre una transmisividad alta?
No. La transparencia depende de la longitud de onda. Un material transparente a la luz visible puede ser opaco al infrarrojo, y viceversa.
¿Por qué los metales pulidos son difíciles de medir con un termómetro infrarrojo?
Los metales pulidos suelen presentar baja emisividad infrarroja y alta reflectividad. Por ello, la radiación ambiental reflejada puede representar una parte importante de la señal detectada y provocar errores significativos si no se consideran correctamente la emisividad y las condiciones del entorno.
Conclusión
La emisividad, la reflectividad y la transmisividad describen las principales formas en que un material interactúa con la energía radiante.
Para la radiación incidente:
α + ρ + τ = 1
En equilibrio térmico, la ley de Kirchhoff establece:
ε = α
Por tanto:
ε + ρ + τ = 1
Para los materiales opacos más habituales en medición con termómetros infrarrojos, τ≈0, por lo que puede aproximarse:
ε + ρ ≈ 1
Esta relación explica por qué las superficies de alta emisividad suelen ser más fáciles de medir de forma fiable, mientras que las superficies de baja emisividad y alta reflectividad están más expuestas a la influencia de la radiación infrarroja del entorno.
En las mediciones reales deben considerarse también el tipo de material, el estado de la superficie, la respuesta espectral del instrumento, el ángulo de medición y el entorno térmico. El nombre del material, su color visible o su transparencia aparente no son suficientes para determinar correctamente su comportamiento infrarrojo.
