Radiation thermique - Thermal radiation

La longueur d'onde maximale et la quantité totale rayonnée varient avec la température selon la loi de déplacement de Wien . Bien que cela montre des températures relativement élevées, les mêmes relations sont vraies pour toute température jusqu'au zéro absolu.
Le rayonnement thermique en lumière visible peut être vu sur cette ferronnerie chaude. Son émission dans l' infrarouge est invisible à l'œil humain. Des caméras infrarouges sont capables de capter cette émission infrarouge (voir Thermographie ).

Le rayonnement thermique est un rayonnement électromagnétique généré par le mouvement thermique des particules dans la matière . Le rayonnement thermique est généré lorsque la chaleur provenant du mouvement des charges dans le matériau (électrons et protons dans les formes courantes de la matière) est convertie en rayonnement électromagnétique. Toute matière dont la température est supérieure au zéro absolu émet un rayonnement thermique. Le mouvement des particules entraîne une accélération de charge ou une oscillation dipolaire qui produit un rayonnement électromagnétique.

Le rayonnement infrarouge émis par les animaux (détectable avec une caméra infrarouge ) et le rayonnement de fond cosmique micro-ondes sont des exemples de rayonnement thermique.

Si un objet de rayonnement répond aux caractéristiques physiques d'un corps noir en équilibre thermodynamique , le rayonnement est appelé rayonnement de corps noir . La loi de Planck décrit le spectre du rayonnement du corps noir, qui dépend uniquement de la température de l'objet. La loi de déplacement de Wien détermine la fréquence la plus probable du rayonnement émis, et la loi de Stefan-Boltzmann donne l'intensité radiante.

Le rayonnement thermique est également l'un des mécanismes fondamentaux du transfert de chaleur .

Aperçu

Le rayonnement thermique est l'émission d' ondes électromagnétiques de toute matière dont la température est supérieure au zéro absolu . Le rayonnement thermique reflète la conversion de l' énergie thermique en énergie électromagnétique . L'énergie thermique est l'énergie cinétique des mouvements aléatoires des atomes et des molécules dans la matière. Toute matière à température non nulle est composée de particules d'énergie cinétique. Ces atomes et molécules sont composés de particules chargées, c'est-à-dire de protons et d' électrons . Les interactions cinétiques entre les particules de matière entraînent une accélération de charge et une oscillation dipolaire . Cela se traduit par la génération électrodynamique de champs électriques et magnétiques couplés, entraînant l'émission de photons , rayonnant de l'énergie loin du corps. Le rayonnement électromagnétique, y compris la lumière visible, se propagera indéfiniment dans le vide .

Les caractéristiques du rayonnement thermique dépendent de diverses propriétés de la surface dont il émane, notamment sa température, son émissivité spectrale , telle qu'exprimée par la loi de Kirchhoff . Le rayonnement n'est pas monochromatique, c'est-à-dire qu'il n'est pas constitué d'une seule fréquence, mais comprend un spectre continu d'énergies photoniques, son spectre caractéristique. Si le corps rayonnant et sa surface sont en équilibre thermodynamique et que la surface a une absorptivité parfaite à toutes les longueurs d'onde, elle est caractérisée comme un corps noir . Un corps noir est aussi un émetteur parfait. Le rayonnement de ces émetteurs parfaits est appelé rayonnement du corps noir . Le rapport de l'émission de tout corps par rapport à celle d'un corps noir est l' émissivité du corps , de sorte qu'un corps noir a une émissivité d'unité (c'est-à-dire un).

Réponse spectrale de deux peintures et d'une surface miroir, dans le visible et l'infrarouge. De la Nasa.

L'absorptivité, la réflectivité et l'émissivité de tous les corps dépendent de la longueur d'onde du rayonnement. En raison de la réciprocité , l'absorptivité et l'émissivité pour une longueur d'onde particulière sont égales - un bon absorbeur est nécessairement un bon émetteur, et un mauvais absorbeur est un mauvais émetteur. La température détermine la distribution de longueur d'onde du rayonnement électromagnétique. Par exemple, la peinture blanche dans le diagramme de droite est hautement réfléchissante pour la lumière visible (réflectivité d'environ 0,80), et apparaît donc blanche à l'œil humain en raison de la réflexion de la lumière solaire, qui a une longueur d'onde maximale d'environ 0,5 micromètre. Cependant, son émissivité à une température d'environ -5 °C (23 °F), longueur d'onde maximale d'environ 12 micromètres, est de 0,95. Ainsi, au rayonnement thermique il apparaît noir.

La répartition de la puissance qu'un corps noir émet avec une fréquence variable est décrite par la loi de Planck . A une température donnée, il existe une fréquence f max à laquelle la puissance émise est maximale. La loi de déplacement de Wien, et le fait que la fréquence soit inversement proportionnelle à la longueur d'onde, indique que la fréquence crête f max est proportionnelle à la température absolue T du corps noir. La photosphère du soleil, à une température d'environ 6000 K, émet un rayonnement principalement dans la partie (humaine) visible du spectre électromagnétique. L'atmosphère terrestre est en partie transparente à la lumière visible, et la lumière atteignant la surface est absorbée ou réfléchie. La surface de la Terre émet le rayonnement absorbé, se rapprochant du comportement d'un corps noir à 300 K avec un pic spectral à f max . À ces fréquences plus basses, l'atmosphère est en grande partie opaque et le rayonnement de la surface de la Terre est absorbé ou diffusé par l'atmosphère. Bien qu'environ 10 % de ce rayonnement s'échappe dans l'espace, la plus grande partie est absorbée puis réémise par les gaz atmosphériques. C'est cette sélectivité spectrale de l'atmosphère qui est responsable de l' effet de serre planétaire , contribuant au réchauffement de la planète et au changement climatique en général (mais contribuant également de manière critique à la stabilité du climat lorsque la composition et les propriétés de l'atmosphère ne changent pas).

L' ampoule à incandescence a un spectre chevauchant les spectres du corps noir du soleil et de la terre. Certains des photons émis par un filament d'ampoule au tungstène à 3000 K sont dans le spectre visible. La majeure partie de l'énergie est associée à des photons de longueurs d'onde plus longues; ceux-ci n'aident pas une personne à voir, mais transfèrent toujours de la chaleur à l'environnement, comme on peut le déduire empiriquement en observant une ampoule à incandescence. Chaque fois qu'un rayonnement EM est émis puis absorbé, de la chaleur est transférée. Ce principe est utilisé dans les fours à micro-ondes , la découpe laser et l'épilation RF .

Contrairement aux formes conductrices et convectives de transfert de chaleur, le rayonnement thermique peut être concentré dans un petit point en utilisant des miroirs réfléchissants, dont la concentration de l'énergie solaire profite. Au lieu de miroirs, les lentilles de Fresnel peuvent également être utilisées pour concentrer l'énergie rayonnante . (En principe, tout type de lentille peut être utilisé, mais seule la conception de lentille de Fresnel est pratique pour les très grandes lentilles.) L'une ou l'autre méthode peut être utilisée pour vaporiser rapidement de l'eau en vapeur en utilisant la lumière du soleil. Par exemple, la lumière du soleil réfléchie par les miroirs chauffe la centrale solaire PS10 et, pendant la journée, elle peut chauffer l'eau à 285 °C (558 K ; 545 °F).

Effets de surface

Les couleurs plus claires ainsi que les blancs et les substances métalliques absorbent moins la lumière d'éclairage et, par conséquent, chauffent moins; mais sinon la couleur fait peu de différence en ce qui concerne le transfert de chaleur entre un objet aux températures quotidiennes et son environnement, puisque les longueurs d'onde émises dominantes sont loin du spectre visible, mais plutôt dans l'infrarouge lointain. Les émissivités à ces longueurs d'onde sont largement indépendantes des émissivités visuelles (couleurs visibles) ; dans l'infrarouge lointain, la plupart des objets ont des émissivités élevées. Ainsi, sauf au soleil, la couleur des vêtements fait peu de différence quant à la chaleur ; de même, la couleur de la peinture des maisons fait peu de différence pour la chaleur, sauf lorsque la partie peinte est éclairée par le soleil.

La principale exception à cette règle concerne les surfaces métalliques brillantes, qui ont de faibles émissivités à la fois dans les longueurs d'onde visibles et dans l'infrarouge lointain. De telles surfaces peuvent être utilisées pour réduire le transfert de chaleur dans les deux sens ; un exemple de ceci est l' isolation multicouche utilisée pour isoler les engins spatiaux.

Les fenêtres à faible émissivité dans les maisons sont une technologie plus compliquée, car elles doivent avoir une faible émissivité aux longueurs d'onde thermiques tout en restant transparentes à la lumière visible.

Les nanostructures dotées de propriétés d'émissivité thermique spectralement sélectives offrent de nombreuses applications technologiques pour la production et l'efficacité énergétiques, par exemple pour le refroidissement des cellules photovoltaïques et des bâtiments. Ces applications nécessitent une émittance élevée dans la gamme de fréquences correspondant à la fenêtre de transparence atmosphérique dans la gamme de longueurs d'onde de 8 à 13 microns. Un émetteur sélectif rayonnant fortement dans cette plage est ainsi exposé au ciel clair, permettant l'utilisation de l'espace extra-atmosphérique comme source froide à très basse température.

La technologie de refroidissement personnalisée est un autre exemple d'application où la sélectivité spectrale optique peut être bénéfique. Le refroidissement personnel conventionnel est généralement obtenu par conduction thermique et convection. Cependant, le corps humain est un émetteur très efficace de rayonnement infrarouge, qui fournit un mécanisme de refroidissement supplémentaire. La plupart des tissus conventionnels sont opaques au rayonnement infrarouge et bloquent les émissions thermiques du corps vers l'environnement. Des tissus pour des applications de refroidissement personnalisées ont été proposés qui permettent à la transmission infrarouge de traverser directement les vêtements, tout en étant opaques aux longueurs d'onde visibles, permettant au porteur de rester plus frais.

Propriétés

Il existe 4 propriétés principales qui caractérisent le rayonnement thermique (dans la limite du champ lointain) :

  • Le rayonnement thermique émis par un corps à n'importe quelle température se compose d'une large gamme de fréquences. La distribution de fréquence est donnée par la loi de Planck du rayonnement du corps noir pour un émetteur idéalisé comme le montre le diagramme en haut.
  • La gamme dominante de fréquences (ou de couleurs) du rayonnement émis se déplace vers des fréquences plus élevées à mesure que la température de l'émetteur augmente. Par exemple, un objet chauffé au rouge rayonne principalement dans les grandes longueurs d'onde (rouge et orange) de la bande visible. S'il est chauffé davantage, il commence également à émettre des quantités discernables de lumière verte et bleue, et la propagation des fréquences dans toute la plage visible le fait apparaître blanc à l'œil humain; il fait blanc chaud . Même à une température chauffée à blanc de 2000 K, 99% de l'énergie du rayonnement est toujours dans l'infrarouge. Ceci est déterminé par la loi de déplacement de Wien . Dans le diagramme, la valeur de crête pour chaque courbe se déplace vers la gauche à mesure que la température augmente.
  • La quantité totale de rayonnement de toutes les fréquences augmente fortement à mesure que la température augmente; il croît comme T 4 , où T est la température absolue du corps. Un objet à la température d'un four de cuisine, environ deux fois la température ambiante sur l'échelle de température absolue (600 K contre 300 K) rayonne 16 fois plus de puissance par unité de surface. Un objet à la température du filament d'une ampoule à incandescence – environ 3 000 K, soit 10 fois la température ambiante – rayonne 10 000 fois plus d'énergie par unité de surface. L'intensité radiative totale d'un corps noir augmente comme la quatrième puissance de la température absolue, telle qu'elle est exprimée par la loi de Stefan-Boltzmann . Dans le graphique, l'aire sous chaque courbe augmente rapidement à mesure que la température augmente.
  • Le taux de rayonnement électromagnétique émis à une fréquence donnée est proportionnel à la quantité d'absorption qu'il subirait par la source, une propriété connue sous le nom de réciprocité . Ainsi, une surface qui absorbe plus de lumière rouge rayonne thermiquement plus de lumière rouge. Ce principe s'applique à toutes les propriétés de l'onde, y compris la longueur d'onde (couleur), la direction, la polarisation et même la cohérence , de sorte qu'il est tout à fait possible d'avoir un rayonnement thermique polarisé, cohérent et directionnel, bien que les formes polarisées et cohérentes soient assez rare dans la nature loin des sources (en terme de longueur d'onde). Voir la section ci-dessous pour en savoir plus sur cette qualification.

Quant à la statistique photonique, la lumière thermique obéit à la statistique super-poissonienne .

Champ proche et champ lointain

Les propriétés générales du rayonnement thermique telles que décrites par la loi de Planck s'appliquent si la dimension linéaire de toutes les parties considérées, ainsi que les rayons de courbure de toutes les surfaces sont grands par rapport à la longueur d'onde du rayon considéré" (typiquement de 8 à 25 micromètres pour l'émetteur à 300 K). En effet, le rayonnement thermique tel que discuté ci-dessus ne prend en compte que les ondes rayonnantes (champ lointain, ou rayonnement électromagnétique ). Un cadre plus sophistiqué impliquant la théorie électromagnétique doit être utilisé pour les plus petites distances de la source thermique ou de la surface ( rayonnement thermique en champ proche ). Par exemple, bien que le rayonnement thermique en champ lointain à des distances de surfaces de plus d'une longueur d'onde ne soit généralement pas cohérent dans une certaine mesure, le rayonnement thermique en champ proche (c'est-à-dire le rayonnement à des distances d'une fraction de diverses longueurs d'onde de rayonnement) peut présenter un degré de cohérence temporelle et spatiale.

La loi de Planck sur le rayonnement thermique a été contestée au cours des dernières décennies par des prédictions et des démonstrations réussies du transfert de chaleur radiative entre des objets séparés par des espaces à l'échelle nanométrique qui s'écartent considérablement des prédictions de la loi. Cette déviation est particulièrement forte (jusqu'à plusieurs ordres de grandeur) lorsque l'émetteur et l'absorbeur supportent des modes de polaritons de surface qui peuvent se coupler à travers l'espace séparant les objets froids et chauds. Cependant, pour tirer parti du transfert de chaleur radiatif en champ proche médié par les polaritons de surface, les deux objets doivent être séparés par des espaces ultra-étroits de l'ordre du micron, voire du nanomètre. Cette limitation complique considérablement la conception de dispositifs pratiques.

Une autre façon de modifier le spectre d'émission thermique de l'objet consiste à réduire la dimensionnalité de l'émetteur lui-même. Cette approche s'appuie sur le concept de confinement des électrons dans des puits quantiques, des fils et des points, et adapte l'émission thermique en créant des états de photons confinés dans des pièges potentiels à deux et trois dimensions, y compris des puits, des fils et des points. Un tel confinement spatial concentre les états des photons et améliore l'émission thermique à des fréquences sélectionnées. Pour atteindre le niveau requis de confinement des photons, les dimensions des objets rayonnants doivent être de l'ordre ou inférieures à la longueur d'onde thermique prédite par la loi de Planck. Plus important encore, le spectre d'émission des puits thermiques, des fils et des points s'écarte des prédictions de la loi de Planck non seulement dans le champ proche, mais aussi dans le champ lointain, ce qui élargit considérablement la gamme de leurs applications.

Couleur subjective à l'œil d'un radiateur thermique à corps noir

°C (°F) Couleur subjective
480 °C (896 °F) faible lueur rouge
580 °C (1 076 °F) rouge foncé
730 °C (1 350 °F) rouge vif, légèrement orange
930 °C (1 710 °F) Orange vif
1 100 °C (2 010 °F) orange jaunâtre pâle
1 300 °C (2 370 °F) blanc jaunâtre
> 1 400 °C (2 550 °F) blanc (jaunâtre si vu de loin à travers l'atmosphère)

Flux de chaleur rayonnante sélectionnés

La durée d'un dommage dû à l'exposition à la chaleur radiative est fonction de la vitesse de livraison de la chaleur. Flux de chaleur radiative et effets : (1 W/cm 2 = 10 kW/m 2 )

kW / m 2 Effet
170 Flux maximal mesuré dans un compartiment post- flashover
80 Test de performance de protection thermique pour les équipements de protection individuelle
52 Le panneau de fibres s'enflamme à 5 secondes
29 Le bois s'enflamme, avec le temps
20 Début typique de contournement au niveau du sol d'une pièce résidentielle
16 Peau humaine : douleur soudaine et cloques de brûlure au deuxième degré après 5 secondes
12,5 Le bois produit des volatiles inflammables par pyrolyse
10.4 Peau humaine : Douleur après 3 secondes, cloques de brûlure au deuxième degré après 9 secondes
6.4 Peau humaine : cloques de brûlure au deuxième degré après 18 secondes
4.5 Peau humaine : cloques de brûlure au deuxième degré après 30 secondes
2.5 Peau humaine : brûlures après une exposition prolongée, exposition au flux radiant généralement rencontrée lors de la lutte contre l'incendie
1.4 Lumière du soleil , coups de soleil potentiellement dans les 30 minutes. Les coups de soleil ne sont PAS des brûlures thermiques. Elle est causée par des dommages cellulaires dus au rayonnement ultraviolet.

Échange d'énergie

Panneau de chaleur rayonnante pour tester des expositions à l' énergie quantifiées avec précision au Conseil national de recherches , près d' Ottawa , Ontario , Canada

Le rayonnement thermique est l'un des trois principaux mécanismes de transfert de chaleur . Il s'agit de l'émission d'un spectre de rayonnement électromagnétique dû à la température d'un objet. D'autres mécanismes sont la convection et la conduction .

Le transfert de chaleur par rayonnement est caractéristiquement différent des deux autres en ce qu'il ne nécessite pas de milieu et, en fait, il atteint une efficacité maximale dans le vide . Le rayonnement électromagnétique a des caractéristiques propres en fonction de la fréquence et des longueurs d' onde du rayonnement. Le phénomène du rayonnement n'est pas encore entièrement compris. Deux théories ont été utilisées pour expliquer le rayonnement ; cependant ni l'un ni l'autre n'est parfaitement satisfaisant.

Premièrement, la théorie antérieure qui provenait du concept d'un milieu hypothétique appelé éther . L'éther est censé remplir tous les espaces évacués ou non. La transmission de la lumière ou de la chaleur rayonnante est permise par la propagation d' ondes électromagnétiques dans l'éther. Les ondes électromagnétiques ont des caractéristiques similaires aux ondes de télévision et de radio , elles ne diffèrent que par la longueur d'onde . Toutes les ondes électromagnétiques voyagent à la même vitesse ; par conséquent, des longueurs d'onde plus courtes sont associées à des fréquences élevées. Étant donné que chaque corps ou fluide est immergé dans l'éther, en raison de la vibration des molécules, tout corps ou fluide peut potentiellement initier une onde électromagnétique. Tous les corps génèrent et reçoivent des ondes électromagnétiques au détriment de son énergie stockée

La deuxième théorie du rayonnement est mieux connue sous le nom de théorie quantique et a été proposée pour la première fois par Max Planck en 1900. Selon cette théorie, l'énergie émise par un radiateur n'est pas continue mais se présente sous la forme de quanta. Planck a affirmé que les quantités avaient des tailles et des fréquences de vibration différentes de la même manière que la théorie des ondes. L'énergie E est trouvée par l'expression E = hν, où h est la constante de Planck et est la fréquence. Les fréquences plus élevées sont causées par des températures élevées et créent une augmentation d'énergie dans le quantum. Alors que la propagation des ondes électromagnétiques de toutes les longueurs d'onde est souvent appelée « rayonnement », le rayonnement thermique est souvent limité aux régions visible et infrarouge. À des fins d'ingénierie, on peut affirmer que le rayonnement thermique est une forme de rayonnement électromagnétique qui varie selon la nature d'une surface et sa température. Les ondes de rayonnement peuvent se déplacer selon des schémas inhabituels par rapport au flux de chaleur par conduction . Le rayonnement permet aux ondes de voyager d'un corps chauffé à travers un milieu froid non absorbant ou partiellement absorbant et d'atteindre à nouveau un corps plus chaud. C'est le cas des ondes de rayonnement qui voyagent du soleil vers la terre.

Le jeu des échanges d'énergie par rayonnement thermique est caractérisé par l'équation suivante :

Ici, représente la composante d'absorption spectrale , la composante de réflexion spectrale et la composante de transmission spectrale . Ces éléments sont fonction de la longueur d'onde (7 ) du rayonnement électromagnétique. L'absorption spectrale est égale à l' émissivité ; cette relation est connue sous le nom de loi de Kirchhoff du rayonnement thermique . Un objet est appelé corps noir si, pour toutes les fréquences, la formule suivante s'applique :

La réflectivité diffère des autres propriétés en ce qu'elle est de nature bidirectionnelle. En d'autres termes, cette propriété dépend de la direction de l'incidence du rayonnement ainsi que de la direction de la réflexion. Par conséquent, les rayons réfléchis d'un spectre de rayonnement incident sur une surface réelle dans une direction spécifiée forment une forme irrégulière qui n'est pas facilement prévisible. En pratique, les surfaces sont supposées se refléter de manière parfaitement spéculaire ou diffuse. Dans une réflexion spéculaire , les angles de réflexion et d'incidence sont égaux. En réflexion diffuse , le rayonnement est réfléchi de manière égale dans toutes les directions. La réflexion sur des surfaces lisses et polies peut être considérée comme une réflexion spéculaire, tandis que la réflexion sur des surfaces rugueuses se rapproche de la réflexion diffuse. En analyse de rayonnement , une surface est définie comme lisse si la hauteur de la rugosité de la surface est beaucoup plus petite par rapport à la longueur d'onde du rayonnement incident.

Dans une situation pratique et à température ambiante, les humains perdent une énergie considérable en raison du rayonnement thermique dans l'infrarouge en plus de celle perdue par conduction dans l'air (aidée par la convection simultanée ou d'autres mouvements d'air comme les courants d'air). L'énergie thermique perdue est partiellement récupérée en absorbant le rayonnement thermique des murs ou d'autres environnements. (La chaleur gagnée par conduction se produirait pour une température de l'air supérieure à la température corporelle.) Sinon, la température corporelle est maintenue à partir de la chaleur générée par le métabolisme interne. La peau humaine a une émissivité très proche de 1,0. L'utilisation des formules ci-dessous montre qu'un être humain, ayant une superficie d' environ 2 mètres carrés et une température d'environ 307  K , rayonne en permanence environ 1 000 watts. Si les gens sont à l'intérieur, entourés de surfaces à 296 K, ils reçoivent en retour environ 900 watts du mur, du plafond et d'autres environnements, de sorte que la perte nette n'est que d'environ 100 watts. Ces estimations de transfert de chaleur dépendent fortement de variables extrinsèques, telles que le port de vêtements, c'est-à-dire la diminution de la conductivité thermique totale du circuit, réduisant ainsi le flux de chaleur de sortie total. Seuls les systèmes vraiment gris (émissivité/absorptivité équivalente relative et aucune dépendance directionnelle de la transmissivité dans tous les corps de volume de contrôle considérés) peuvent obtenir des estimations raisonnables du flux de chaleur en régime permanent grâce à la loi de Stefan-Boltzmann. Il est presque impossible de rencontrer cette situation "idéalement calculable" (bien que les procédures d'ingénierie courantes abandonnent la dépendance de ces variables inconnues et "supposent" que ce soit le cas). De manière optimiste, ces approximations « grises » se rapprocheront des solutions réelles, car la plupart des divergences par rapport aux solutions de Stefan-Boltzmann sont très faibles (en particulier dans la plupart des environnements contrôlés par les laboratoires STP ).

Réponse spectrale de deux peintures et d'une surface miroir, dans le visible et l'infrarouge. De la Nasa.

Si les objets apparaissent blancs (réfléchissants dans le spectre visuel ), ils ne sont pas nécessairement également réfléchissants (et donc non émissifs) dans l'infrarouge thermique – voir le schéma à gauche. La plupart des radiateurs domestiques sont peints en blanc, ce qui est raisonnable étant donné qu'ils ne sont pas assez chaud pour émettre une quantité importante de chaleur, et ne sont pas conçus comme des radiateurs thermiques du tout - au contraire, ils sont en fait Convecteurs , et les peindre en noir mat rendrait peu différence quant à leur efficacité. Les peintures blanches à base d'acrylique et d'uréthane ont une efficacité de rayonnement du corps noir de 93 % à température ambiante (ce qui signifie que le terme « corps noir » ne correspond pas toujours à la couleur visuellement perçue d'un objet). Ces matériaux qui ne respectent pas la mise en garde "couleur noire = émissivité/absorptivité élevée" auront très probablement une dépendance spectrale fonctionnelle d'émissivité/absorptivité.

Le calcul du transfert de chaleur radiative entre des groupes d'objets, y compris une « cavité » ou « l'environnement » nécessite la résolution d'un ensemble d' équations simultanées en utilisant la méthode de la radiosité . Dans ces calculs, la configuration géométrique du problème est distillée en un ensemble de nombres appelés facteurs de vue , qui donnent la proportion de rayonnement sortant d'une surface donnée qui frappe une autre surface spécifique. Ces calculs sont importants dans les domaines de l'énergie solaire thermique , de la conception des chaudières et des fours et de l'infographie par lancer de rayons .

Une comparaison d'une image thermique (en haut) et d'une photographie ordinaire (en bas). Le sac en plastique est principalement transparent aux infrarouges à grande longueur d'onde, mais les lunettes de l'homme sont opaques.

Une surface sélective peut être utilisée lorsque l'énergie est extraite du soleil. Des surfaces sélectives peuvent également être utilisées sur les capteurs solaires. Nous pouvons découvrir à quel point un revêtement de surface sélectif est utile en examinant la température d'équilibre d'une plaque chauffée par le rayonnement solaire. Si la plaque reçoit un rayonnement solaire de 1350 W/m 2 (le minimum est de 1325 W/m 2 le 4 juillet et le maximum est de 1418 W/m 2 le 3 janvier) du soleil, la température de la plaque où le rayonnement sortant est égal au rayonnement reçu par la plaque est de 393 K (248 °F). Si la plaque a une surface sélective avec une émissivité de 0,9 et une longueur d'onde de coupure de 2,0 m, la température d'équilibre est d'environ 1250 K (1790 °F). Les calculs ont été faits en négligeant le transfert de chaleur par convection et en négligeant l'irradiation solaire absorbée dans les nuages/l'atmosphère pour des raisons de simplicité, la théorie est toujours la même pour un problème réel.

Pour réduire le transfert de chaleur d'une surface, telle qu'une fenêtre en verre, un film réfléchissant transparent avec un revêtement à faible émissivité peut être placé à l'intérieur de la surface. « Les revêtements à faible émissivité (faible émissivité) sont des couches de métal ou d'oxyde métallique microscopiquement minces, pratiquement invisibles, déposées sur une surface de vitrage de fenêtre ou de lucarne principalement pour réduire le facteur U en supprimant le flux de chaleur radiatif ». En ajoutant ce revêtement, nous limitons la quantité de rayonnement qui quitte la fenêtre, augmentant ainsi la quantité de chaleur retenue à l'intérieur de la fenêtre.

Étant donné que tout rayonnement électromagnétique, y compris le rayonnement thermique, transmet de la quantité de mouvement ainsi que de l'énergie, le rayonnement thermique induit également de très faibles forces sur les objets rayonnants ou absorbants. Normalement, ces forces sont négligeables, mais elles doivent être prises en compte lors de l'examen de la navigation des engins spatiaux. L' anomalie Pioneer , où le mouvement de l'engin a légèrement dévié de celui attendu de la gravité seule, a finalement été localisée au rayonnement thermique asymétrique de l'engin spatial. De même, les orbites des astéroïdes sont perturbées car l'astéroïde absorbe le rayonnement solaire du côté faisant face au soleil, mais réémet ensuite l'énergie sous un angle différent car la rotation de l'astéroïde éloigne la surface chaude de la vue du soleil (le YORP effet ).

Puissance radiative

Puissance émise par un corps noir en fonction de la température selon la loi de Stefan-Boltzmann.

La puissance de rayonnement thermique d'un corps noir par unité de surface de surface rayonnante par unité d' angle solide et par unité de fréquence est donnée par la loi de Planck comme suit :

ou au lieu de par unité de fréquence, par unité de longueur d' onde comme

Cette formule découle mathématiquement du calcul de la distribution spectrale de l'énergie dans un champ électromagnétique quantifié qui est en équilibre thermique complet avec l'objet rayonnant. La loi de Plancks montre que l'énergie radiative augmente avec la température et explique pourquoi le pic d'un spectre d'émission se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes à des températures plus élevées. On peut également constater que l'énergie émise à des longueurs d'onde plus courtes augmente plus rapidement avec la température par rapport aux longueurs d'onde plus longues. L'équation est dérivée comme une somme infinie sur toutes les fréquences possibles dans une région de demi-sphère. L'énergie, , de chaque photon est multipliée par le nombre d'états disponibles à cette fréquence et la probabilité que chacun de ces états soit occupé.

L'intégration de l'équation ci-dessus sur la puissance de sortie donnée par la loi de Stefan-Boltzmann est obtenue, comme suit :

où la constante de proportionnalité est la constante de Stefan-Boltzmann et est la surface rayonnante.

La longueur d'onde , pour laquelle l'intensité d'émission est la plus élevée, est donnée par la loi de déplacement de Wien comme :

Pour les surfaces qui ne sont pas des corps noirs, il faut considérer le facteur d'émissivité (généralement dépendant de la fréquence) . Ce facteur doit être multiplié par la formule du spectre de rayonnement avant intégration. Si elle est considérée comme une constante, la formule résultante pour la puissance de sortie peut être écrite d'une manière qui contient comme facteur :

Ce type de modèle théorique, avec une émissivité indépendante de la fréquence inférieure à celle d'un corps noir parfait, est souvent appelé corps gris . Pour l'émissivité dépendante de la fréquence, la solution pour la puissance intégrée dépend de la forme fonctionnelle de la dépendance, bien qu'en général il n'y ait pas d'expression simple pour cela. En pratique, si l'émissivité du corps est à peu près constante autour de la longueur d'onde d'émission de crête, le modèle de corps gris a tendance à fonctionner assez bien puisque le poids de la courbe autour de l'émission de crête a tendance à dominer l'intégrale.

Constantes

Définitions des constantes utilisées dans les équations ci-dessus :

constante de Planck 6,626 069 3(11)×10 −34 J·s = 4,135 667 43(35)×10 −15 eV·s
Constante de déplacement de Wien 2.897 768 5(51)×10 -3 m·K
Constante de Boltzmann 1,380 650 5(24)×10 −23 J·K −1 = 8,617 343 (15)×10 −5 eV·K −1
Constante de Stefan-Boltzmann 5.670 373 (21)×10 -8 W·m -2 ·K -4
Vitesse de la lumière 299 792 458 m·s −1

Variables

Définitions des variables, avec des exemples de valeurs :

Température absolue Pour les unités utilisées ci-dessus, doit être en kelvins (par exemple température de surface moyenne sur Terre = 288 K)
surface zone Un cuboïde = 2 ab + 2 bc + 2 ac ;
Un cylindre = 2 ·r ( h + r );
Une sphère = 4 π·r 2

Transfert de chaleur radiatif

Le transfert de chaleur radiatif net d'une surface à une autre est le rayonnement quittant la première surface pour l'autre moins celui arrivant de la seconde surface.

  • Pour les corps noirs, le taux de transfert d'énergie de la surface 1 à la surface 2 est :

où est la surface, est le flux d'énergie (le taux d'émission par unité de surface) et est le facteur de vue de la surface 1 à la surface 2. L'application à la fois de la règle de réciprocité pour les facteurs de vue, , et de la loi de Stefan-Boltzmann , , donne :

où est la constante de Stefan-Boltzmann et la température. Une valeur négative pour indique que le transfert de chaleur par rayonnement net se fait de la surface 2 à la surface 1.

  • Pour deux surfaces de corps gris formant une enceinte, le taux de transfert de chaleur est :

où et sont les émissivités des surfaces.

Des formules pour le transfert de chaleur radiative peuvent être dérivées pour des arrangements physiques plus particuliers ou plus élaborés, comme entre des plaques parallèles, des sphères concentriques et les surfaces internes d'un cylindre.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Télédétection infrarouge thermique :

  • Kuenzer, C. et S. Dech (2013) : Télédétection infrarouge thermique : capteurs, méthodes, applications (= Télédétection et traitement d'images numériques 17). Dordrecht : Springer.

Liens externes