Transfert de chaleur par rayonnement – définition (partie 1)



Quel est le mode de transfert de chaleur le plus important ? Le rayonnement !

Après la conduction et la convection thermique, regardons maintenant le mode de transfert de chaleur le plus important, mais aussi le plus difficile à comprendre.

Rayonnement thermique

1. Le soleil rayonne

 

En première approche, revenons sur la forme de rayonnement la plus palpable dans notre entourage : le soleil.

 

Le soleil rayonne, c’est dans le langage courant et c’est aussi un fait scientifique. Voyons donc maintenant les effets de ce rayonnement :

  • Il peut nous réchauffer : si on s’expose un peu au soleil, même en hiver, il nous réchauffe.
  • Le soleil chauffe tant qu’il nous brûle : coup de soleil !
  • Il réchauffe très bien le sol.
  • Il réchauffe un peu moins bien la mer.
  • Et assez mal l’air

 

Plus précisément, le rayonnement solaire reçu par la terre est équivalent à ce que produiraient 170 000 000 réacteurs nucléaires !

 

2. A quoi ressemble le rayonnement ?

 

On voit une partie du rayonnement : la lumière ! Mais cela n’en représente qu’une infime partie.

Spectre_electromagnetique

 

Le rayonnement est en fait une onde électromagnétique, on y trouve :

  • Les rayons gamma : très énergétiques et très dangereux.
  • Les rayons X : très énergétiques (mais un peu moins que les rayons gamma) et très dangereux aussi.
  • Les ultra-violets : plus connus du grand public, énergétiques et également dangereux (ce sont eux qui nous brûlent la peau quand on s’expose au soleil).
  • La lumière visible
  • Les infrarouges
  • Les micros ondes
  • Les ondes radio

 

Le soleil émet du rayonnement à peu près dans toutes les longueurs d’ondes, mais principalement dans le visible.

 

3. Comment agit le rayonnement ?

 

On constate dans la vie de tous les jours que le rayonnement (celui du soleil par exemple) agit plus sur un milieu opaque (terre, corps humain) que sur un milieu transparent (eau, air, vitre).

 

Par exemple, à la plage en plein après midi, le sable est brulant, mais la mer reste relativement froide.

 

On constate aussi que ce même rayonnement agit plus sur un objet foncé voire noir, que sur un objet blanc. Il est possible de tester empiriquement ce fait, par exemple en touchant deux voitures exposées au soleil, une blanche et une noire.

 

On constate enfin que certains objets (comme les miroirs) reflètent le rayonnement.

 

En fait, il y a 4 actions possibles du rayonnement sur la matière (elles peuvent agir ensemble) :

  • Transmission : le rayon traverse le milieu. Dans une vitre ou dans l’air, c’est l’action majoritaire.
  • Réflexion : le rayon change de direction en arrivant sur le milieu. C’est le cas des miroirs.
  • Diffusion : le rayon touche le milieu qui le rediffuse dans toutes les directions. C’est ce qui se passe avec la neige (le soleil ne s’y reflète pas comme dans un miroir, mais sa luminosité est réémise dans toutes les directions).
  • Absorption : Le rayon est absorbé par la matière. C’est par exemple ce que l’on peut observer avec un carrelage noir par exemple. Quand le milieu absorbe du rayonnement, il se réchauffe.

4 actions du rayonnement

 

Comment ces différentes actions peuvent-elles avoir lieu en même temps ?

Prenons le cas de l’eau (mettre illustration) qui est le plus facile à imaginer : on pose un aquarium transparent en plein soleil :

  • Transmission : On peut voir le soleil au travers en se mettant de l’autre côté (attention aux yeux)
  • Réflexion : En regardant la surface de l’eau on voit le soleil qui se reflète.
  • Diffusion : Si l’aquarium est suffisamment grand on verra que l’eau est légèrement bleutée et cela en la regardant dans n’importe quelle direction. Cela veut dire qu’elle diffuse la longueur d’onde du bleu.
  • Absorption : Avec un thermomètre, on pourra voir que l’eau chauffe.

 

4. Le soleil est-il la seule source de rayonnement ?

 

Non, toute la matière rayonne dès lors qu’elle est au dessus de 0 K (-273°C ou zéro absolu). Mais de manière plus ou moins intense et dans des longueurs d’onde différentes.

 

*K = Kelvin, c’est l’unité de mesure scientifique de la température.

 

Explication :

Le rayonnement dépend de la température du corps qui l’émet. Par exemple :

  • La surface du solaire est à 5000 °C, cela correspond à un rayonnement dans le visible.
  • Notre corps, la terre, etc… ont des températures variant entre 0 et 100 °C, ils rayonnent dans l’infrarouge. C’est pour ça qu’on peut nous voir dans la nuit avec des lunettes infrarouge.

caméra-thermique-public

 

  • De l’acier ou de la lave en fusion ont une température comprise entre 1000 et 2000°C, ils rayonnent dans le visible, mais sont moins chauds que le soleil, d’où leur couleur rouge (entre nos températures infra rouge et celle du soleil jaune).

Metal en fusion

 

Ce principe permet aux soldats munis de lunettes infrarouges de voir les êtres vivants dans la nuit. Certains animaux ont l’aptitude de voir l’infrarouge, et donc peuvent chasser dans le noir (la chouette par exemple).

Conclusion

Maintenant que nous connaissons un peu mieux le rayonnement, nous allons passer un peu à la pratique dans le prochain article sur l’application du rayonnement à l’habitat.

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