Qu’est-ce que le rayonnement thermique – Chaleur rayonnante – Définition

Rayonnement thermique – Chaleur rayonnante. Le rayonnement thermique est un rayonnement électromagnétique dans la région infrarouge du spectre électromagnétique, même si une partie se trouve dans la région visible. Génie thermique

Rayonnement thermique – chaleur rayonnante

Radiation thermiqueLe rayonnement thermique est un rayonnement électromagnétique dans la région infrarouge du spectre électromagnétique, même si une partie se trouve dans la région visible. Le terme rayonnement thermique est fréquemment utilisé pour distinguer cette forme de rayonnement électromagnétique d’autres formes, telles que les ondes radio, les rayons X ou les rayons gamma . Elle est générée par le mouvement thermique de particules chargées dans la matière. Par conséquent, tout matériau dont la température est supérieure au zéro absolu dégage une certaine énergie radiante . Le rayonnement thermique ne nécessite aucun moyen de transfert d’énergie. En fait, le transfert d’énergie par rayonnement est le plus rapide (à la vitesse de la lumière) et il ne subit aucune atténuation dans le vide.

Contrairement au transfert de chaleur par conduction ou convection , qui a lieu dans le sens d’une diminution de la température, le transfert de chaleur par rayonnement thermique peut se produire entre deux corps séparés par un milieu plus froid que les deux corps. Par exemple, le rayonnement solaire atteint la surface de la Terre après avoir traversé des couches froides de l’atmosphère à haute altitude.

Loi Stefan – Boltzmann

Le taux de transfert de chaleur par rayonnement , q [W / m 2 ], d’un corps (par exemple un corps noir) à son environnement est proportionnel à la quatrième puissance de la température absolue et peut être exprimé par l’équation suivante:

q = εσT 4

où σ est une constante physique fondamentale appelée constante de Stefan – Boltzmann , égale à 5,6977 × 10 -8 W / m 2 K 4 . La constante de Stefan – Boltzmann doit son nom à Josef Stefan (qui a découvert la loi Stefan-Boltzman à titre expérimental en 1879) et à Ludwig Boltzmann (qui l’a dérivé théoriquement peu de temps après). Comme on peut le constater, le transfert de chaleur par rayonnement est important à très haute température et dans le vide .

 

Comme il a été écrit, la loi de Stefan – Boltzmann  donne l’intensité rayonnante d’un seul objet . Mais en utilisant la loi de Stefan – Boltzmann , nous pouvons également déterminer le transfert de chaleur par rayonnement entre deux objets. Deux corps qui rayonnent l’un vers l’autre ont un flux de chaleur net entre eux. Le débit net de chaleur entre eux est donné par:Q = εσA 1-2 (T 1 -T 2 ) [J / s]

q = εσ (T 1 -T 2 ) [J / m 2 s]

Le facteur de surface A 1-2 est la surface vue par le corps 2 du corps 1 et peut devenir assez difficile à calculer.

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 surface . Par conséquent, divers matériaux émettent différentes quantités d’énergie rayonnante même lorsqu’ils sont à la même température. Un corps qui émet le maximum de chaleur pour sa température absolue est appelé corps noir .

rayonnement du corps noirUn corps noir est un corps physique idéalisé, qui possède des propriétés spécifiques. Par définition, un corps noir en équilibre thermique a une émissivité de ε = 1.0 . Les vrais objets ne dégagent pas autant de chaleur qu’un corps noir parfait. Ils dégagent moins de chaleur qu’un corps noir et sont donc appelés corps gris.

La surface d’un corps noir émet un rayonnement thermique à raison d’environ 448 watts par mètre carré à température ambiante (25 ° C, 298,15 K). Les objets réels avec des émissivités inférieures à 1,0 (par exemple, un fil de cuivre) émettent un rayonnement à des taux correspondants 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 solaires thermiques incorporent des surfaces sélectives qui ont de très faibles émissivités. Ces capteurs gaspillent très peu d’énergie solaire par l’émission de rayonnement thermique.

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

Loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique :

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

émissivité ε = absorptivité α

Un corps noir absorbe tous les rayonnements électromagnétiques incidents, indépendamment de la fréquence ou de l’angle d’incidence. Sa capacité d’absorption est donc égale à l’unité, qui est également la valeur la plus élevée possible. Autrement dit, 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 porter de jugement sur la noirceur d’une surface sur la base d’observations visuelles. Par exemple, considérons le papier blanc qui réfléchit la lumière visible et apparaît donc blanc. En revanche, il est essentiellement noir pour le rayonnement infrarouge ( absorptivité α = 0,94 ) car ils absorbent fortement le rayonnement à grande longueur d’onde.

Voir aussi: Catastrophe ultraviolette

Spectre – rayonnement thermique

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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