RAYONNEMENT THERMIQUE: PROPRIÉTÉS, EXEMPLES, APPLICATIONS - PHYSIQUE - 2025

Le rayonnement thermique est l'énergie transmise par un corps avec sa température et par les longueurs d'onde du spectre électromagnétique infrarouge. Tous les corps sans exception émettent un certain rayonnement infrarouge, quelle que soit leur température.

Il arrive que lorsqu'elles sont en mouvement accéléré, des particules chargées électriquement oscillent et grâce à leur énergie cinétique, elles émettent en permanence des ondes électromagnétiques.

Figure 1. Nous connaissons très bien le rayonnement thermique qui provient du Soleil, qui est en fait la principale source d'énergie thermique. Source: Pxhere.

Le seul moyen pour un corps de ne pas émettre de rayonnement thermique est que ses particules soient complètement au repos. De cette manière, sa température serait de 0 sur l'échelle Kelvin, mais réduire la température d'un objet à un tel point est quelque chose qui n'a pas encore été atteint.

Propriétés du rayonnement thermique

Une propriété remarquable qui distingue ce mécanisme de transfert de chaleur des autres est qu'il n'a pas besoin d'un milieu matériel pour le produire. Ainsi, l'énergie émise par le Soleil, par exemple, parcourt 150 millions de kilomètres dans l'espace et atteint la Terre en continu.

Il existe un modèle mathématique pour connaître la quantité d'énergie thermique par unité de temps qu'un objet rayonne:

Cette équation est connue sous le nom de loi de Stefan et les quantités suivantes apparaissent:

- Énergie thermique par unité de temps P, qui est connue sous le nom de puissance et dont l'unité dans le Système international d'unités est le watt ou watt (W).

-La surface de l'objet qui émet de la chaleur A, en mètres carrés.

-Une constante, appelée Stefan - Constante de Boltzman, notée σ et dont la valeur est 5,66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴,

-Le émissivité (également appelé émittance) de l'objet e, une quantité adimensionnelle (sans unités) dont la valeur est comprise entre 0 et 1. Il est lié à la nature du matériau: par exemple un miroir a une faible émissivité, alors qu'un corps très sombre a haute émissivité.

-Et enfin la température T en kelvin.

Exemples de rayonnement thermique

Selon la loi de Stefan, la vitesse à laquelle un objet rayonne de l'énergie est proportionnelle à la surface, à l'émissivité et à la quatrième puissance de la température.

Étant donné que le taux d'émission de l'énergie thermique dépend de la quatrième puissance de T, il est clair que de petits changements de température auront un effet énorme sur le rayonnement émis. Par exemple, si la température double, le rayonnement augmenterait 16 fois.

Un cas particulier de la loi de Stefan est le radiateur parfait, un objet complètement opaque appelé corps noir, dont l'émissivité est exactement 1. Dans ce cas, la loi de Stefan ressemble à ceci:

Il arrive que la loi de Stefan soit un modèle mathématique qui décrit grossièrement le rayonnement émis par tout objet, car elle considère l'émissivité comme une constante. L'émissivité dépend en fait de la longueur d'onde du rayonnement émis, de l'état de surface et d'autres facteurs.

Lorsque e est considéré comme constant et que la loi de Stefan est appliquée comme indiqué au début, alors l'objet est appelé un corps gris.

Les valeurs d'émissivité de certaines substances traitées comme corps gris sont:

-Aluminium poli 0,05

-Carbone noir 0,95

-Peau humaine de toute couleur 0,97

-Bois 0.91

-Glace 0.92

-Eau 0.91

-Cuivre entre 0,015 et 0,025

-Acier entre 0,06 et 0,25

Rayonnement thermique du soleil

Un exemple tangible d'un objet émettant un rayonnement thermique est le Soleil. On estime que chaque seconde, environ 1 370 J d'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique atteint la Terre à partir du Soleil.

Cette valeur est connue sous le nom de constante solaire et chaque planète en a une, qui dépend de sa distance moyenne du Soleil.

Ce rayonnement traverse perpendiculairement chaque m ² des couches atmosphériques et est réparti dans différentes longueurs d'onde.

Presque tout cela se présente sous forme de lumière visible, mais une bonne partie se présente sous forme de rayonnement infrarouge, qui est précisément ce que nous percevons comme de la chaleur, et certains aussi comme des rayons ultraviolets. C'est une grande quantité d'énergie suffisante pour répondre aux besoins de la planète, afin de la capter et de l'utiliser correctement.

En termes de longueur d'onde, ce sont les plages dans lesquelles se trouve le rayonnement solaire qui atteint la Terre:

- Infrarouge, ce que nous percevons comme de la chaleur: 100 - 0,7 μm *

- Lumière visible, entre 0,7 - 0,4 μm

- Ultraviolet, moins de 0,4 μm

* 1 μm = 1 micromètre ou un millionième de mètre.

Loi de Vienne

L'image ci-dessous montre la distribution du rayonnement sur la longueur d'onde pour différentes températures. La distribution obéit à la loi de déplacement de Wien, selon laquelle la longueur d'onde du rayonnement maximal λ _max est inversement proportionnelle à la température T en kelvin:

λ _max T = 2,898. 10 ⁻³ m⋅K

Figure 2. Graphique du rayonnement en fonction de la longueur d'onde pour un corps noir. Source: Wikimedia Commons.

Le Soleil a une température de surface d'environ 5 700 K et rayonne principalement à des longueurs d'onde plus courtes, comme nous l'avons vu. La courbe qui se rapproche le plus de celle du Soleil est celle de 5000 K, en bleu et a bien sûr le maximum dans le domaine de la lumière visible. Mais il émet également une bonne partie en infrarouge et ultraviolet.

Applications du rayonnement thermique

Énergie solaire

La grande quantité d'énergie que le Soleil émet peut être stockée dans des dispositifs appelés collecteurs, pour la transformer plus tard et l'utiliser commodément comme énergie électrique.

Caméras infrarouges

Ce sont des caméras qui, comme leur nom l'indique, fonctionnent dans la région infrarouge plutôt qu'en lumière visible, comme les caméras courantes. Ils profitent du fait que tous les corps émettent plus ou moins un rayonnement thermique en fonction de leur température.

Figure 3. Image d'un chien capturée par une caméra infrarouge. À l'origine, les zones les plus claires représentent celles avec la température la plus élevée. Les couleurs, qui sont ajoutées lors du traitement pour faciliter l'interprétation, montrent les différentes températures dans le corps de l'animal. Source: Wikimedia Commons.

Pyrométrie

Si les températures sont très élevées, les mesurer avec un thermomètre à mercure n'est pas la meilleure option. Pour cela, on préfère les pyromètres, à travers lesquels on déduit la température d'un objet connaissant son émissivité, grâce à l'émission d'un signal électromagnétique.

Astronomie

Starlight est très bien modélisé avec l'approximation du corps noir, ainsi que l'univers entier. Et pour sa part, la loi de Wien est fréquemment utilisée en astronomie pour déterminer la température des étoiles, en fonction de la longueur d'onde de la lumière qu'elles émettent.

Industrie militaire

Les missiles visent la cible à l'aide de signaux infrarouges qui cherchent à détecter les zones les plus chaudes des avions, comme les moteurs par exemple.

Références

1. Giambattista, A. 2010. Physique. 2ème. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Conduction, convection et rayonnement. Récupéré de: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Applications du rayonnement thermique. Récupéré de: www.ehu.eus.
4. Observatoire de la Terre de la NASA. Climat et budget énergétique de la Terre. Récupéré de: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Applications de chaleur. Récupéré de: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 1. 7e. Ed. Cengage Learning.