Propriétés de rayonnement thermique, exemples, applications

La Radiation thermique C'est l'énergie transmise par un corps grâce à sa température et à travers les longueurs d'onde infrarouges du spectre électromagnétique. Tous les corps sans exception émettent un rayonnement infrarouge, quelle que soit la basse température.

Il arrive que lorsqu'ils sont en mouvement accéléré, les particules chargées électriquement oscillent et grâce à leur énergie cinétique, ils émettent continuellement des ondes électromagnétiques.

Figure 1. Nous connaissons très bien le rayonnement thermique qui vient du soleil, qui est en fait la principale source d'énergie thermique. Source: pxhere.

La seule façon dont un corps n'émet pas de rayonnement thermique est que ses particules sont en repos total. De cette façon, sa température serait de 0 sur l'échelle de Kelvin, mais réduit au point que la température d'un objet est quelque chose qui n'a pas encore été atteint.

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Propriétés du rayonnement thermique

Une propriété remarquable qui distingue ce mécanisme de transfert de chaleur des autres, est qu'un milieu matériel n'est pas nécessaire pour se produire. Ainsi, l'énergie émise par le soleil, par exemple, parcourt 150 millions de kilomètres dans l'espace et arrive sur Terre en continu.

Il existe un modèle mathématique pour connaître la quantité d'énergie thermique par unité de temps qui rayonne un objet:

P =POURσeT⁴

Cette équation est connue sous le nom de loi de Stefan et les amplitudes suivantes apparaissent:

-Énergie thermique par unité de temps P, qui est connu sous le nom de puissance et dont l'unité dans le système international d'unités est le Watt ou Watt (W).

-Il Zone superficielle de l'objet qui émet de la chaleur POUR, en mètres carrés.

-Une constante, appelée Stefan Constant - Boltzman, indiqué par σ Et dont la valeur est 5.66963 x10^-8 W / m² K⁴,

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-La Émisivité (Aussi appelé Problème) de l'objet et, un montant sans dimension (sans unités) dont la valeur se situe entre 0 et 1. Il est lié à la nature du matériau: par exemple, un miroir a une faible émissivité, tandis qu'un corps très sombre a une émissivité élevée.

-Et enfin le température T À Kelvin.

Exemples de rayonnement thermique

Selon la loi de Stefan, la vitesse à laquelle un objet dégage de l'énergie est proportionnelle à la zone, à l'émissivité et à la quatrième puissance de température.

Comme le taux d'émission d'énergie thermique dépend de la quatrième puissance de T, il est évident que de petits changements de température auront un effet énorme sur le rayonnement émis. Par exemple, si la température est doublée, le rayonnement augmenterait 16 fois.

Un cas particulier de la loi de Stefan est le radiateur parfait, un objet complètement opaque appelé Corps noir, dont l'émissivité est exactement 1. Dans ce cas, la loi de Stefan est comme ceci:

P =POURσT⁴

Il arrive que la loi de Stefan soit un modèle mathématique qui décrit approximativement le rayonnement émis par n'importe quel objet, car il considère l'émissivité comme une constante. En fait, l'émissivité dépend de la longueur d'onde du rayonnement émis, de la finition de surface et d'autres facteurs.

Lorsqu'il est considéré et Comme constant et la loi de Stefan est appliquée comme indiqué au début, alors l'objet est appelé Corps gris.

Les valeurs de l'émissivité pour certaines substances traitées comme un corps gris sont:

-Aluminium poli 0.05

-Charbon noir 0.95

-Peau humaine de toute couleur 0.97

-Bois 0.91

-Glace 0.92

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-Eau 0.91

-Cuivre entre 0.015 et 0.025

-Acier entre 0.06 et 0.25

Le rayonnement thermique du soleil

Un exemple tangible d'un objet qui émet un rayonnement thermique est le soleil. On estime que chaque seconde, environ 1370 j d'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique arrive sur Terre du soleil.

Cette valeur est connue sous le nom de constante solaire Et chaque planète en a une, qui dépend de sa distance moyenne au soleil.

Ce rayonnement est perpendiculairement croisé par chaque m² de couches atmosphériques et est distribué en différentes longueurs d'onde.

Presque tout vient en lumière visible, mais une bonne partie vient comme un rayonnement infrarouge, ce qui est précisément ce que nous percevons comme de la chaleur, et un autre aussi comme des rayons ultraviolets. C'est une grande quantité d'énergie suffisamment pour répondre aux besoins de la planète, afin de le capturer et d'en profiter.

En termes de longueur d'onde, ce sont les gammes à l'intérieur duquel est le rayonnement solaire qui atteint la terre:

-Infrarouge, Celui que nous percevons comme la chaleur: 100 - 0.7 μm *

-Lumière visible, entre 0.7 - 0.4 μm

-Ultra-violet, Moins de 0.4 μm

* 1 μm = 1 micromètre ou le millionième d'un mètre.

La loi de Wien

L'image suivante montre la distribution du rayonnement par rapport à la longueur d'onde pour plusieurs températures. La distribution est due à la loi de déplacement de Wien, selon laquelle la longueur d'onde de rayonnement maximale λ_max Il est inversement proportionnel à la température T à Kelvin:

λ_max T = 2.898 . dix ⁻³ M⋅K

Figure 2. Graphique de rayonnement en fonction de la longueur d'onde pour un corps noir. Source: Wikimedia Commons.

Le soleil a une température de surface d'environ 5700 K et rayonne principalement en longueurs d'onde plus courtes, comme nous l'avons vu. La courbe qui s'approche de la majeure partie du soleil est de 5000 K, en bleu et bien sûr elle a le maximum dans la plage d'éclairage visible. Mais émet également une bonne partie dans l'infrarouge et l'ultraviolet.

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Applications de rayonnement thermique

Énergie solaire

La grande quantité d'énergie que le soleil rayonne peut être stockée sur des appareils appelés collectionneurs, puis transformer et l'utiliser commodément comme électricité.

Caméras infrarouges

Ce sont des caméras qui, comme son nom l'indique, fonctionne dans la région infrarouge au lieu de le faire sous une lumière visible, comme les chambres communes. Ils profitent du fait que tous les corps émettent un rayonnement thermique dans une plus ou moins loin en fonction de leur température.

figure 3. Image d'un chien capturé par une chambre infrarouge. À l'origine, les zones les plus claires représentent la température la plus élevée. Les couleurs, qui sont ajoutées lors du traitement pour faciliter l'interprétation, montrent les différentes températures du corps de l'animal. Source: Wikimedia Commons.

Pyrométrie

Si les températures sont très élevées, les mesurer avec un thermomètre Mercury n'est pas la plus indiquée. Pour cela, le pyromètres, à travers lequel la température d'un objet est déduite en connaissant son émissivité, grâce à l'émission d'un signal électromagnétique.

Astronomie

La lumière des étoiles est très bien modélisée avec l'approximation du corps noir, ainsi que l'univers entier. Et pour sa part, la loi de Wien est fréquemment utilisée en astronomie pour déterminer la température des étoiles, selon la longueur d'onde de la lumière qu'ils émettent.

Industrie militaire

Missile.

Les références

1. Giambattista, un. 2010. La physique. 2e. Élégant. McGraw Hill.
2. Gómez, e. Conduite, convection et rayonnement. Récupéré de: Eltamiz.com.
3. González de Arrieta, je. Applications de rayonnement thermique. Récupéré de: www.Ehu.EUS.
4. Observatoire de la Terre de la NASA. Climat et budget énergétique de la Terre. Récupéré de: EarthObservatory.pot.Gouvernement.
5. Nathénoo. Applications thermiques. Récupéré de: cinehenao.Wordpress.com.
6. SERAY, R. Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 1. 7e. Élégant. Cengage Learning.