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Qu’est-ce que le rayonnement de corps noir – Définition

Le rayonnement de corps noir est également appelé rayonnement thermique, rayonnement de cavité, rayonnement complet ou rayonnement de température. Trois lois suivantes sont associées au rayonnement du corps noir. Génie thermique

Rayonnement du corps noir

Il est connu que la quantité d’énergie de rayonnement émise par une surface à une longueur d’onde donnée dépend du matériau du corps et de l’état de sa surface ainsi que de la température de la surface . Par conséquent, divers matériaux émettent différentes quantités d’énergie radiante même lorsqu’ils sont à la même température. Un corps qui émet le maximum de chaleur pour sa température absolue s’appelle un corps noir .

rayonnement corps noirUn corps noir est un corps physique idéalisé, qui a des propriétés spécifiques. Par définition, un corps noir en équilibre thermique a une émissivité de ε = 1,0 . Les objets réels ne dégagent pas autant de chaleur qu’un corps noir parfait. Ils émettent moins de chaleur qu’un corps noir et sont donc appelés corps gris.

La surface d’un corps noir émet un rayonnement thermique à un taux d’environ 448 watts par mètre carré à la température ambiante (25 ° C, 298,15 K). Les objets réels avec des émissivités inférieures à 1,0 (par exemple, un fil de cuivre) émettent des radiations à des vitesses correspondantes plus faibles (par exemple, 448 x 0,03 = 13,4 W / m 2 ). L’émissivité joue un rôle important dans les problèmes de transfert de chaleur. Par exemple, les capteurs de chaleur solaire incorporent des surfaces sélectives à très basse émissivité. Ces capteurs ne gaspillent que très peu d’énergie solaire par émission de rayonnement thermique.

Puisque l’ absorption et l’ émissivité sont interconnectées par la loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique , un corps noir est également un absorbeur parfait du rayonnement électromagnétique.

Loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique :

Pour un corps quelconque émettant et absorbant un rayonnement thermique en équilibre thermodynamique, l’émissivité est égale à l’absorption.

émissivité ε = capacité d’ absorption α

Un corps noir absorbe tout le rayonnement électromagnétique incident, indépendamment de la fréquence ou de l’angle d’incidence. Son pouvoir d’ absorption est donc égal à l’unité, qui est également la valeur la plus élevée possible. C’est-à-dire qu’un corps noir est un absorbeur parfait (et un émetteur parfait ).

Notez que le rayonnement visible occupe une bande très étroite du spectre de 0,4 à 0,76 nm, nous ne pouvons pas juger de la noirceur d’une surface sur la base d’observations visuelles. Par exemple, considérons un papier blanc qui reflète la lumière visible et apparaît donc blanc. Par contre, il est essentiellement noir pour le rayonnement infrarouge ( capacité d’absorption α = 0,94 ), car ils absorbent fortement les rayonnements de grande longueur d’onde.

Pouvoir émissif du corps noir

La puissance émissive du corps noir , b [W / m 2 ] , d’un corps noir à son environnement est proportionnelle à la quatrième puissance de la température absolue et peut être exprimée par l’équation suivante:

b = σT 4

où σ est une constante physique fondamentale appelée constante de Stefan – Boltzmann , qui est égale à 5,6697 × 10 -8 W / m 2 K 4 et T est la température absolue de la surface en K.

Le terme corps noir a été introduit par un physicien allemand Gustav Kirchhoff en 1860. Le rayonnement du corps noir est également appelé rayonnement thermique, rayonnement de cavité, rayonnement complet ou rayonnement de température. Les trois lois suivantes sont associées au rayonnement du corps noir:

  • Loi de Kirchhoff. Cette loi donne la relation entre l’émissivité et l’absorptivité d’un objet.
  • Loi de Planck. Cette loi décrit le spectre du rayonnement du corps noir, qui ne dépend que de la température de l’objet.
  • Loi sur le déplacement de Wien. Cette loi détermine la fréquence la plus probable du rayonnement émis.
  • Loi Stefan – Boltzmann . Cette loi donne l’intensité radiante.

Tous les corps au-dessus de la température zéro absolue dégagent de la chaleur. Le soleil et la terre rayonnent l’un vers l’autre. Cela semble violer la deuxième loi de la thermodynamique , qui stipule que la chaleur ne peut pas circuler spontanément du système froid vers le système chaud sans qu’un travail externe soit effectué sur le système. Le paradoxe est résolu par le fait que chaque corps doit être en vue directe de l’autre pour en recevoir le rayonnement. Par conséquent, chaque fois que le corps froid rayonne de la chaleur vers le corps chaud, le corps chaud doit également rayonner de la chaleur vers le corps froid. De plus, le corps chaud irradiera plus d’énergie que le corps froid. Le cas des différentes émissivités est résolu par la loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique, qui indique que les objets à faible émissivité ont également une faible absorptivité. En conséquence, la chaleur ne peut pas circuler spontanément du système froid au système chaud et le deuxième principe est toujours satisfaite.

Spectre – Rayonnement du corps noir

La loi de Stefan – Boltzmann détermine la puissance d’émission totale du corps noir, E b , qui est la somme du rayonnement émis sur toutes les longueurs d’onde. La loi de Planck décrit le spectre du rayonnement du corps noir , qui ne dépend que de la température de l’objet et relie la puissance d’émission spectrale du corps noir, E  . Cette loi doit son nom au physicien théoricien allemand Max Planck, qui l’a proposée en 1900. La loi de Planck est un résultat novateur de la physique moderne et de la théorie quantique. L’hypothèse de Planck selon laquelle l’énergie est rayonnée et absorbée dans des «quanta» (ou paquets d’énergie) discrets correspondait précisément aux schémas de rayonnement du corps noir observés et a résolu lacatastrophe ultraviolette .

En utilisant cette hypothèse, Planck a montré que le rayonnement spectral d’un corps pour la fréquence ν à la température absolue T est donné par:

loi plancks - équation

  • ν (v, T) est le rayonnement spectral (la puissance par unité d’angle solide et par unité de surface normale à la propagation) densité de fréquence ν rayonnement par unité de fréquence à l’équilibre thermique à la température T
  • h est la constante de Planck
  • c est la vitesse de la lumière dans le vide
  • B est la constante de Boltzmann
  • ν est la fréquence du rayonnement électromagnétique
  • T est la température absolue du corps

La loi de Planck présente les caractéristiques importantes suivantes:

  • Le rayonnement émis varie en continu avec la longueur d’onde.
  • À n’importe quelle longueur d’onde, l’amplitude du rayonnement émis augmente avec l’augmentation de la température.
  • La région spectrale dans laquelle le rayonnement est concentré dépend de la température, avec relativement plus de rayonnement apparaissant à des longueurs d’onde plus courtes lorsque la température augmente ( loi de déplacement de Wien ).

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Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: translations@nuclear-power.com ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci