Observations :
Observation de la chauffe d'un métal:
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Observations:
| https://www.youtube.com/watch?v=PPXDvhOub7s |
Lois du rayonnement :
L'émission dans les fréquences d'abord de l'infrarouge, puis du rouge, puis les autres couleurs s'ajoutent pour donner du blanc s'effectue lorsque la température du corps s'élève.
Ces observations sont traduites par les courbes d’émissions du corps noir :
Un corps noir chauffé à une température \( T \) émet de la lumière selon la loi d’émission du corps noir (courbe « en cloche » ci-contre).
Plus la température est élevée , plus le rayonnement a une forte intensité et plus celui-ci se déplace vers les longueurs d’ondes courtes. \( \lambda_{max} \) d’abord invisible puis rouge (700 nm) puis blanc puis bleu (470 nm).
Wien constate que la courbe d’émission présente un maximum pour une longueur d’onde répondant à la loi portant son nom : \( \lambda_{max} = \frac{2900}{T} \).
La densité d’énergie ou la densité de puissance qu’émet le corps noir dans toutes les longueurs d'onde augmente fortement avec la température de la source comme le montre la loi de Stephan-Boltzmann :
\( M°(T) = \sigma T^4 \)
- \( M°(T) \) est la densité de puissance rayonnée en \( W.m^{-2} \)
- \( \sigma \) est la constante de Stephan-Boltzmann: \( 5,67.10^{-8} W \cdot m^{-2}\cdot K^{-4} \) ou kg s-3 K-4
Propriété du rayonnement :
Le transfert d’énergie par rayonnement est assuré sans support matériel(il est donc possible même si le vide sépare les deux corps : énergie du soleil sur la terre) , par les ondes électromagnétiques ( infrarouge, visible, ultraviolet, micro-ondes…).
Propriété du corps vis à vis rayonnement (réflexion, transmission, absorption):
Comme le flux de rayonnement est une puissance qui se conserve, un flux \( \varphi \) arrivant sur un corps (que l'on appellera flux incident) n'a que trois possibilité qui s'offre à lui:
- être réfléchi \( \varphi_r \)
- être transmis \( var\phi_t \)
- être absorbé et ainsi participer à l'échauffement du corps \( \varphi_a \)
Donc \( \varphi=\varphi_r+\varphi_t+\varphi_a \)
Si on divise cette égalité par \( \varphi \), on obtient:
\( \frac{\varphi}{\varphi} = \frac{\varphi_r}{\varphi} + \frac{\varphi_t}{\varphi} + \frac{\varphi_a}{\varphi} \)
Si on pose les coefficients :
- \( \rho=\frac{\varphi_r}{\varphi} \) : facteur de réflexion
- \( \tau=\frac{\varphi_t}{\varphi} \) : facteur de transmission ou transmissivité (plus ou moins opaque)
- \( \alpha=\frac{\varphi_a}{\varphi} \) : facteur d’absorption ou absorptivité (dépend de l'état de surface du matériau et de sa "couleur")
On peut donc écrire:
\( \alpha + \tau + \rho = 1 \)
A savoir chacun de ces coefficients dépend en fait de la température et de la longueur d'onde considérée.
\( 1 = {\rho _{\left( {\lambda ,T} \right)}} + {\varepsilon _{\left( {\lambda ,T} \right)}} + {\tau _{\left( {\lambda ,T} \right)}} \)
Emissivité :
En première approximation nous avons dit qu'il existait une relation de proportionnalité entre la température et le flux émis.
Mais il s'avère que pour des températures similaires certains corps rayonnent plus que d'autres.
Ceci est du à une faculté des corps traduite par un coefficient appelé émissivité: \( \varepsilon \).
Le rayonnement d'un corps du à sa température est plus ou moins intense suivant le coefficient d’émissivité \( \varepsilon \) du corps.
Plus ce coefficient est faible (proche de 0), moins le corps émet. Les valeurs de l'émissivité vont de 0 à 1 (corps noir).
Pour une longueur d'onde donnée, en régime statique, l'émissivité est égale au coefficient d'absorption \( \alpha_{\lambda} = \varepsilon_{\lambda} \).
Ces deux coefficients sont donc les deux versants d'un même phénomène.
Application: Dans le cas d'un panneau solaire thermique, le coefficient d'absorption est utilisé pour l'ensemble des longueurs d'onde du visible qui correspondent à ce que reçoit le panneau. On peut faire le parallèle avec l'albédo d'un sol qui lui caractérise le coefficient de réflexion.
Le coefficient d'émissivité correspond à la faculté du panneau à émettre du fait de sa montée en température donc, dans l'infrarouge.
Un panneau a donc une émissivité/absorption forte dans le visible pour profiter du flux solaire et faible dans l'infrarouge pour ne pas évacuer sa chaleur par rayonnement.
Remarque:L'effet de serre exploite la différence de longueur d'onde de ces radiations. En effet le verre comme la vapeur d'eau est transparent au visible mais réfléchit les infrarouges. Donc le soleil chauffe par son rayonnement visible mais l'infrarouge induit par l'échauffement du sol est réfléchit par le verre ou la vapeur d'eau.
La constatation se fait en observant la température nocturne plus froide si le ciel est clair que si le ciel est couvert.
Transfert d’énergie due au rayonnement :
C’est un transfert d’énergie entre deux surfaces ( même dans le vide).
Entre un solide et le milieu environnant, nous avons la relation : \( \phi = \sigma \cdot \varepsilon \cdot S\left( {T_p^4 - T_\infty ^4 } \right) \) en W
Avec
- \( \varphi \) : le flux de chaleur transmis par rayonnement
- \( \sigma \) : constante de Stephan : \( 5,67.10^{-8} W \cdot m^{-2}\cdot K^{-4} \)
- \( \varepsilon \) : facteur d’émission de la surface
Thermographie :
Attention les exemples suivants dans la vidéo sont analysés très grossièrement. De nombreuses erreurs peuvent être commises sans une analyse réfléchie de ce que l'on mesure.
Malgré l'apparente simplicité qu'offre la thermographie, les valeurs de températures mesurées ne traduisent que rarement la réalité.
Les notions suivantes sont à prendre en compte pour une mesure quantitative précise des températures.
- d'émissivités des corps
- de température d'arrière plan
- de l'angle d'observation
- de résolution (IFOV)
- de la longueur d'onde observée
Une approche plus simple consiste à comparer des éléments de même nature plutôt que vouloir à tout prix mesurer une température.
mesures en thermographie.pdf
Institut de la thermographie
| Exemples d'images thermographiques infrarouges (Christophe Finot) 10'38 |
| https://www.youtube.com/watch?v=Qzz7Kr5k9lY |
Le rayonnement solaire :
| Le rayonnement solaire (Christophe Finot) 15'50 |
| https://www.youtube.com/watch?v=2LfSnJnJCfU |
