El color y el calor

Manuel Álvarez

La energía del Sol viaja por el vacío a través de la distancia que separa la Tierra del Sol en forma de ondas electromagnéticas, y los humanos detectamos visualmente como luz blanca o visible casi 50 % de esta radiación que el Sol envía a la Tierra.

 

El concepto de luz solar como sinónimo de energía solar no es del todo correcta, ya que realmente no vemos toda la energía que atraviesa nuestra atmósfera, y aquella de muy baja frecuencia; o sea, de onda larga o infrarrojo no es detectada por el ojo humano.

Tampoco podemos ver aquella de frecuencia muy alta o ultravioleta, ya que dañaría irreparablemente nuestra vista. La luz blanca solar contiene una degradación de colores que van desde el rojo hasta el violeta (Fig.1).


Fig.1. Secuencia de colores y longitudes de onda de la luz solar.

El espectro electromagnético

Cuando una luz blanca pasa a través de un prisma, se puede ver una banda con los colores del arco iris. Un prisma es un objeto de cristal transparente (o de plástico) con dos caras opuestas en forma de triángulo u otra forma geométrica. Un prisma descompone los colores al refractar cada uno de ellos en un ángulo diferente. La banda de colores producida cuando la luz pasa a través de un prisma se llama espectro (Fig.2).


Fig.2. Descomposición espectral de la luz al pasar por un prisma.

Las diferentes longitudes de onda de la luz afectan a nuestros ojos de modo distinto, y esto es interpretado por el cerebro humano como diversos colores. Lo que llamamos luz roja tiene una longitud de onda relativamente grande. Los diversos tonos de la luz anaranjada tiene longitudes de onda más pequeñas, y éstas van decreciendo en la luz amarilla, verde, azul y, finalmente, violeta. Esta última es la que tiene longitudes de onda más cortas.

Esta lista de colores, desde el rojo hasta el violeta, incluye tan solo la "luz visible". Hay longitudes de onda más grandes que las de la luz roja, que no afectan a la retina del ojo y son, por ende, invisibles. Entre ellas figuran las radiaciones que denominamos ondas infrarrojas, microondas y ondas de radio. Aunque no pueden verse, pueden detectarse con los instrumentos adecuados.

Además, hay longitudes de onda más pequeñas que la luz violeta y que son también invisibles, porque no afectan a la retina hasta el punto de producir la sensación de luz. Sin embargo, estas radiaciones de onda muy cortas pueden dañar físicamente la retina y por ello son peligrosas, tanto más, cuando son invisibles. Entre las radiaciones de onda corta figuran las ondas ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. Estos pueden ser también detectados con instrumentos adecuados. Toda la escala de estas radiaciones se designa con el nombre de "espectro electromagnético".

El color de los objetos

El color de un objeto depende de lo que le sucede cuando la luz incide sobre él. Los diferentes materiales absorben algunos colores y reflejan otros. Los colores que vemos son los colores reflejados por el objeto. Por ejemplo, una hoja de color verde absorbe todos los colores excepto el color verde. La hoja refleja el color verde y ése es el color que vemos. Las cosas de color negro absorben todos los colores y no reflejan ninguno. Las cosas de color blanco reflejan todos los colores. Un filtro cromático absorbe ciertos colores de la luz y deja pasar otros.

Los colores rojo, azul y verde son los colores primarios de la luz. Al mezclar estos colores se pueden producir todos los colores del espectro. La retina del ojo tiene células sensibles a los colores de la luz. Algunas células responden sólo al rojo. Otras responden al verde. Hay otras células que responden solamente al color azul. Si sobre la retina inciden cantidades iguales de luz roja, azul y verde, vemos blanco. Pero cuando sólo inciden el rojo y el verde, vemos amarillo.

Los colores que resultan de mezclar pigmentos son diferentes de los colores que resultan de mezclar luces de colores. El magenta, el cian y el amarillo son llamados pigmentos primarios. Un objeto que tenga cualquiera de estos colores absorbe un color primario de la luz y refleja los otros dos. Cuando se mezclan apropiadamente estos pigmentos se puede crear el color que se desee al reflejar una mezcla de los colores primarios de la luz. La mayoría de los colores que vemos son combinaciones de dos o más colores.

En dependencia del color o de la superficie, la luz se refleja de forma diferente. Esto resulta muy interesante a la hora de elegir los colores con los que fabricar la ropa, los autos, los techos y otros objetos de nuestra vida cotidiana. Si utilizamos, por ejemplo, ropa de un color que refleje bastante la luz, no tendremos tanto calor en verano como si fuese de un color que no la refleje tanto.

El calor

Si un objeto emite luz roja por sí mismo significa que está a una temperatura capaz de dañar nuestra piel. La energía que se sitúa a partir del rojo visible es aquella que contiene todos los colores que los humanos conocemos. Los colores de las cosas corresponden al color o colores de la luz o luces que reflejan cuando son iluminados por el Sol. De aquí que sea muy distinto un objeto pigmentado de rojo que un objeto "al rojo" a causa de su temperatura. El primero no se ve en la oscuridad y el segundo sí.

La luz ultravioleta corresponde a las radiaciones electromagnéticas de muy alta frecuencia. Su energía puede destruir la visión. El ultravioleta corresponde a la radiación que nos quema la piel y produce el color "tostado" o bronceado. Posee un alto poder germicida, por lo que se utiliza mucho en la esterilización de productos, tratamiento germicida en la piel y otros usos controlados.

El Sol envía a la Tierra grandes cantidades de energía ultravioleta que resultarían mortales para la vida orgánica del planeta. De hecho este es uno de los peligros del espacio exterior. Sin embargo, existe un filtro natural en las capas de nuestra atmósfera, que impide el paso a un alto porcentaje de ultravioleta. Ese filtro, como sabemos, es la capa de ozono.

Como ya hemos mencionado, el color es una cualidad de la luz y la "luz" (como algo definido por la visión humana) es la que contiene todos los colores que conocemos. Sin embargo, ese concepto de "luz" corresponde a la percepción sensorial (en este caso mediante el ojo humano) de un cierto rango de la energía que el Sol nos envía.

El ojo es una extensión de nuestra piel, sensible al rango visible del espectro electromagnético. Por su parte la piel también es sensible a ciertas temperaturas de los objetos. Estos, a causa de su temperatura, emiten energía. Nuestras sensaciones de frío o calor tienen que ver con este fenómeno.

Cuando un objeto emite por sí solo luz significa que está a una temperatura que la piel de nuestras manos pueden sentir desde cierta distancia y que el ojo humano ya no puede ver, pero en ningún caso tocar, pues nos haría daño.

El filamento de una lámpara incandescente está a 2 800 0C. Se trata de una temperatura muy alta, con la cual logra emitir una luz relativamente débil y de baja energía, color amarillo anaranjado. De ahí su ineficiencia. La única forma de que un objeto como este emita "luz blanca" igual al Sol, sería elevando su temperatura a 6 300 0C, pero esto es físicamente imposible, pues el objeto se fundiría.

Relación entre color y calor

Otro ejemplo para relacionar calor y color lo entrega un quemador común de gas (acetileno, gas manufacturado o licuado). Cerrando el paso del aire, la combustión se torna débil por falta de oxígeno y la llama toma un color anaranjado, propio del quemado de leña. Este fuego es de color naranja y suele impregnar con hollín las ollas a causa de la mala combustión (el humo negro es carbono sin combustionar).

Si se abre el paso de aire para que haya una mejor oxigenación se logra una llama de color azul, sin humo. Eso indica una combustión total y, por lo tanto, mayor temperatura de emisión. Obteniendo una regulación óptima la llama será azul-violeta, lo que indica aún más temperatura.

La luz que emite esta llama; o sea, su calor, será también relativamente más alta a medida que su color de emisión derive hacia el violeta. Es así como la luz blanca, con todos sus colores, está contenida en una pequeña parte del espec
tro electromagnético, cuyos colores representan distintas cantidades de energía, es decir, el calor. Si un objeto desprende un color más allá del violeta, estará emitiendo ultravioleta, que es el caso de una soldadura por arco eléctrico. La luz emitida por ella es de tal intensidad que el soldador debe utilizar protecciones especiales para no perder la vista o quemarse la piel con la luz ultravioleta.


Reflexión de la radiación solar en un objeto verde.


Reflexión de la radiación solar en un pigmento negro superficial.


Reflexión de la radiación solar en un pigmento blanco.

Entonces, es muy distinto "el color de la luz que emite un objeto" (lo cual es proporcional a su temperatura superficial) de "el color de la luz que es reflejada por un objeto" (lo cual corresponde a su pigmentación). Este "color de un objeto" iluminado desde afuera por luz blanca, corresponde a aquellos colores de luz que llegan a nuestra vista luego de que la luz blanca se refleja en él (el objeto puede estar frío y ser invisible en una habitación oscura).

De lo anteriormente expuesto podemos sacar las siguientes conclusiones:

-Si un objeto se ve de "color blanco" significa que su pigmentación superficial es capaz de reflejar todos los colores de la luz; o sea, toda la luz blanca, y esto provoca en el cerebro esa sensación de "color blanco".

-La síntesis aditiva de color, que corresponde a las mezclas de colores de la luz, no tiene nada que ver con la síntesis sustractiva (absorción) que se logra mezclando pinturas de color.

-Todas las luces mezcladas dan como resultado la luz blanca.

-Todos los pigmentos mezclados dan como resultado el color negro.

Una habitación oscura representa para el ojo humano, la "no presencia de la luz" o el color oscuro. Por otra parte, si un objeto no refleja ningún color, la sensación que entrega es de "negro".


La luz solar de muy bajas (infrarrojo) y muy altas (ultravioleta) frecuencias es invisible para el ojo humano.
Sin embargo, sólo la ultravioleta puede dañar la visión.

Captación de la energía solar

El recubrimiento negro no refleja ningún color y absorbe casi toda la radiación solar (90 a 98 %). En la vida cotidiana, como hemos dicho antes, se aprovecha esta propiedad cuando nos vestimos con colores oscuros en invierno; y en el verano, de color blanco, ya que refleja casi todas las longitudes de onda (15 a 40 %). Todos los otros colores están en porcentajes intermedios en proporción a su tono y brillo.

En síntesis, el color de una superficie da una buena indicación de la absorción de la radiación solar. La absorción decrece y la luz reflejada aumenta con la claridad del color, pero el color no indica el comportamiento de una superficie con respecto a la radiación que pueda emitir en virtud de su temperatura.

Por ejemplo, las pinturas negras y blancas tienen muy diferentes poderes de absorción de la radiación solar y una superficie negra se vuelve más caliente por la exposición al Sol; pero las emisiones de onda larga de los dos colores son iguales y se enfrían igualmente en la noche por radiación a la bóveda celeste.

Para la absorción y la reflexión de los rayos de onda larga (térmicos), tienen mayor importancia el estado de la superficie que el color. Independientemente del color, la reflexión de las superficies lisas y pulidas es muchas veces superior que el de las rugosas.

En resumen, el color de una superficie influye en la capacidad de reflexión y de absorción de la radiación solar. El estado de la superficie (lisa o rugosa) influye en la capacidad de reflexión y absorción de la radiación del infrarrojo lejano.

A continuación damos dos herramientas fundamentales para el aprovechamiento de la energía solar:

El color negro: La pigmentación negra se ve así porque no devuelve o
refleja ninguna luz. La luz que recibe es absorbida por el objeto pigmentado que de esa manera "atrapa" la energía aumentando su cantidad de calor y, por consecuencia, su temperatura. El negro opaco es profusamente usado en los captadores de energía solar. Uno de los desafíos de la tecnología es la búsqueda de un pigmento "perfectamente negro" para cubrir los captadores de energía.


El color blanco: El pigmento blanco, por su parte, actúa como reflector de la luz, devolviendo todos los colores que inciden en él. El blanco es también muy usado en el aprovechamiento de la energía solar, y obtener pigmentos "perfectamente blancos" constituye otro desafío para la ciencia, con vista a su aplicación en sistemas de iluminación y equipos solares.

No obstante, en la realidad la pigmentación no es perfecta. Por lo tanto, sólo un porcentaje de la luz es reflejada o absorbida. Este porcentaje se conoce como "coeficiente de absorción" o "coeficiente de reflexión", según sea el caso. Un coeficiente de absorción de 0,9 significa que 90 % de la luz que incide en un objeto será absorbida por él.


Por otra parte, existen materiales que, pigmentados o no, dejan pasar parte de la luz que reciben. Es el caso de los materiales parcialmente transparentes que pueden ser plásticos o de vidrio. En ellos operan tres coeficientes, ya que si alguno tiene algún pigmento, refleja y absorbe parte de la luz y el resto es transmitido. Un vidrio común, por ejemplo, podrá transmitir entre 80 ó 90 % de la luz que incide en él.

El calor y el color están asociados. El calor del color y el color del calor son conceptos muy utilizados en energía solar.

El calor es la medida de la energía y la energía viaja desde el Sol en forma de onda electromagnética que, al ser filtrada por la atmósfera, hacen llegar la luz blanca visible, más un pequeño contenido de infrarrojo y una pequeña parte de ultravioleta. Esta es la "energía solar" que podemos utilizar en nuestros sistemas para el aprovechamiento de la energía solar.