Jueguetes geeks: El radiometro de Crookes, una máquina térmica (Video)

¿Qué es lo que vemos?

Este instrumento demuestra un tipo de maquina térmica, pues la energía de los rayos solares o la luz proveniente de una lámpara se aprovecha para provocar el movimiento de la veleta en el interior del bulbo de este aparato.

¿En qué consiste el instrumento?

En este bulbo, al que se le ha estriado gran parte del aire – todavía queda una pequeña cantidad de moléculas, necesarias para realizar la demostración – se encuentra una veleta suspendida de una aguja muy filosa. La veleta consiste de cuatro aspas verticales, cada aspa está pintada de blanco en una de sus caras y en la cara opuesta está pintada de negro.

¿Cómo funciona?

Si los haces de una fuente luminosa intensa (como del Sol) inciden en el radiómetro, una cara negra de la veleta absorbe más luz que una cara blanca. Lo cual provoca que la temperatura de la cara negra sea mayor que el caso de la cara blanca. Localmente, la superficie oscura de este aparato tiene una temperatura mayor en comparación con una cara blanca. Por la ecuación de gases ideales, entonces esta cara oscura experimenta una presión mayor que la cara blanca. De tal forma, el movimiento giratorio del radiómetro siempre es de la cara oscura hacia la cara blanca.

Hoy este bulbo es un juguete científico o un adorno geek para la oficina, pero hace tiempo causo polémica, pues su movimiento contradecía el efecto de presión de radiación: los rayos luminosos al chocar en una superficie blanca trasmiten más ímpetu que cuando lo hacen en una superficie negra. Sin embargo, para observar el efecto de presión de radiación en este bulbo, se tiene que extraer TODO el aire del interior. La presión de radiación existe, pero este aparato es inadecuado para observar sus efectos. En otras entradas he comentado experimentos profesionales que demuestran el efecto de presión de radiación [1, 2]

¿Preguntas para pensar?

1) ¿Podría funcionar el radiómetro si el bulbo estuviera lleno de agua?

2) ¿Funcionaria igual el radiómetro si la fuente de luz fuera láser?, ¿hay algún cambio si se cambia el color de la fuente?

3) Si la veleta tuviera más aspas, ¿se movería más rápido o más lento o no habría cambio?

4) ¿Cuál es la eficiencia termodinámica de esta máquina?, para responder necesitamos algunas ecuaciones de preparatoria

5) Pensando en la ecuación de gases ideales: PV = nR T, y pensando que son iguales los volúmenes de las capas negras y blancas, respectivamente. Demuestra con ecuaciones que la veleta se debe mover. Apóyate de la definición de presión P = F/A.

Esta entrada participa en el Carnaval de la Fisica (octubre 2012), que en esta ocasion alberga el blog últimas noticias desde el cosmos.