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Qu’est-ce que le transfert de chaleur par rayonnement – Définition

Le transfert de chaleur par rayonnement est provoqué par un rayonnement électromagnétique, appelé rayonnement thermique, qui résulte de la température d’un corps. Transfert de chaleur par rayonnement

Transfert de chaleur par rayonnement

Le soleil
Le Soleil génère son énergie par fusion nucléaire de noyaux d’hydrogène en hélium. Dans son noyau, le Soleil fusionne 620 millions de tonnes d’hydrogène toutes les secondes.
Source: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Dans les chapitres précédents, nous avons discuté de la convection et de la conduction , qui nécessitent la présence de la matière en tant que moyen de transporter la chaleur de la région la plus chaude vers la région la plus froide. Mais un troisième type de transfert de chaleur, le transfert de chaleur par rayonnement , se produit sans aucun moyen. En général, le transfert de chaleur par rayonnement d’une surface à une autre est le rayonnement quittant la première surface pour l’autre, moins celui qui provient de la deuxième surface. Le transfert de chaleur par rayonnement est provoqué par un rayonnement électromagnétique , appelé rayonnement thermique , qui résulte de la température d’un corps. Tout matériau dont la température est supérieure àLe zéro absolu dégage de l’énergie radiante . La plupart de l’ énergie de ce type se trouve dans la région infrarouge du spectre électromagnétique, bien qu’une partie se trouve dans la région visible. L’un des exemples les plus importants de transfert de chaleur par rayonnement est l’absorption du rayonnement solaire par la Terre, suivie du rayonnement thermique sortant. Ces processus déterminent la température et le climat de la Terre.

Radiation thermique

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) vers 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 , qui est égale à 5,6697 × 10 -8 W / m 2 K 4 . La constante Stefan – Boltzmann est nommée d’ après Josef Stefan (qui a découvert la loi Stefan-Boltzman expérimentalement en 1879) et Ludwig Boltzmann (qui l’a dérivée théoriquement peu de temps après). Comme on peut le voir, le transfert de chaleur par rayonnement est important à des températures très élevées 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

Blackiss Emissive Power

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:

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.

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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