Transfert de chaleur par rayonnement (avec des exemples)

La transfert de chaleur par rayonnement Il se compose d'un flux d'énergie à travers des ondes électromagnétiques. Parce que ces vagues peuvent se déplacer dans le vide à la vitesse de la lumière, elles peuvent également transmettre la chaleur.

Les ondes électromagnétiques ont une longueur d'onde continue, appelée spectre Et cela va des longueurs d'onde plus longues et moins énergétiques, au plus court et avec une plus grande énergie.

Parmi eux se trouve le rayonnement infrarouge, une bande près de la bande de longueur d'onde visible, mais en dessous. De cette façon, de grandes quantités de chaleur du soleil atteignent la terre, traversant des millions de kilomètres.

Pero no solamente los objetos incandescentes como el Sol emiten calor en forma de radiación, en realidad cualquier objeto lo hace continuamente, solo que cuando la temperatura es baja, la longitud de onda es grande y por consiguiente la energía, que es inversamente proporcional a ella , est petite.

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Comment la chaleur est-elle transmise par le rayonnement?

Les charbons brûlants transmettent la chaleur par rayonnement

Les électrons vibrent, émettent des ondes électromagnétiques. Si les vagues sont basse fréquence, elle équivaut à dire que leur longueur d'onde est longue et que le mouvement des vagues est lent, il a donc peu d'énergie. Mais si la fréquence augmente, la vague se déplace plus vite et a plus d'énergie.

Un objet avec une certaine température T émet fréquemment les rayonnements F, de manière que T et F Ils sont proportionnels. Et puisque les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin d'un milieu matériel pour se propager, les photons infrarouges, qui sont responsables de la propagation du rayonnement, peuvent être déplacés sans problème de vide.

C'est ainsi que le rayonnement du soleil arrive sur la Terre et les autres planètes. Cependant, avec la distance, les vagues sont atténuées et la quantité de chaleur diminue.

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La loi de Stefan et la loi de Wien

La Droit de Stefan déclare que le pouvoir pourrait⁴, Selon l'expression:

P =POURσeT⁴

Dans les unités de système international, la puissance est disponible en watts (w) et la température à Kelvin (K). Dans cette équation, a est la surface de l'objet, σ C'est la constante de Stefan - Boltzman, qui vaut 5.66963 x10^-8 W / m² K⁴,

Enfin E est le Émisivité  soit Problème de l'objet, une valeur numérique sans unités, entre 0 et 1. La valeur est donnée en fonction du matériau, car les corps très sombres ont une émissivité élevée, tout à fait l'opposé d'un miroir.

Des sources de rayonnement, telles que le filament d'une ampoule ou du soleil, émettent des rayonnements dans de nombreuses longueurs d'onde. Le soleil est presque tout dans la région visible du spectre électromagnétique.

Entre la longueur d'onde maximale λ_Max Et la température de l'émetteur est une relation donnée par la loi de Wien:

λ_Max ∙ t = 2.898 . dix ⁻³ M⋅K

Le rayonnement d'un corps noir

La figure suivante montre les courbes d'émission d'énergie en fonction de la température de Kelvin, pour un objet idéal qui absorbe tout le rayonnement qui l'affecte et à son tour un émetteur parfait. Cet objet est appelé Corps noir.

Distribution de la longueur d'onde pour diverses températures. Source: Wikimedia Commons.

Les espaces entre les charbons des braises dans un four, se comportent comme des émetteurs de rayonnement idéaux, du type de corps noir, avec une approche suffisante. De nombreuses expériences ont été faites pour déterminer les différentes courbes de température et leurs distributions de longueur d'onde respectives.

Comme on peut le voir, à une température plus élevée, la longueur d'onde est plus basse, plus la fréquence et le rayonnement ont plus d'énergie.

En supposant que le soleil se comporte comme un corps noir, parmi les courbes montrées sur la figure, celle la plus proche de la température de la surface solaire est celle de 5500 K. Son pic se trouve dans la longueur d'onde de 500 nm (nanomètres).

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La température de surface solaire est d'environ 5700 K. De la loi de Wien:

λ_Max = 2.898 × ​​10 ⁻³ M⋅K / 5700 K = 508, 4 nm

Ce résultat est approximativement cohérent avec celui observé dans les graphiques. Cette longueur d'onde appartient à la région visible du spectre, cependant, il faut souligner que seul le pic de distribution représente. En fait, le soleil rayonne la majeure partie de son énergie entre les longueurs d'onde infrarouges, le spectre visible et l'ultraviolet.

Exemples de transfert de chaleur par rayonnement

Tous les objets, sans exception, émettent une forme de chaleur par rayonnement, cependant, certains sont des émetteurs beaucoup plus notables:

Cuisines électriques, tasters et chauffage électrique

La cuisine est un bon endroit pour étudier les mécanismes de transfert de chaleur, par exemple le rayonnement peut être vu s'approchant (soigneusement) la main vers le chignon électrique qui brille avec une lueur orange. Ou aussi aux grilles d'un gril à rôtir.

Les éléments résistifs du radiateur, des grillades et des fours électriques sont également chauffés et acquièrent une lueur orange, transmettant également la chaleur par rayonnement.

Ampoules incandescentes

Le filament des ampoules à incandescence atteint des températures élevées, entre 1200 et 2500 ºC, émettant de l'énergie distribuée dans un rayonnement infrarouge (la plupart) et la lumière visible, l'orange ou le jaune.

Le soleil

Le soleil transmet la chaleur par le rayonnement vers la terre, à travers l'espace qui les sépare. En fait, le rayonnement est le mécanisme de transfert de chaleur le plus important dans presque toutes les étoiles, bien que d'autres, comme la convection, jouent également un rôle important.

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La source d'énergie à l'intérieur du soleil est le réacteur à fusion thermonucléaire dans le noyau, qui libère de grandes quantités d'énergie par la conversion de l'hydrogène en hélium. Une bonne partie de cette énergie est sous la lumière visible, mais comme expliqué précédemment, les longueurs d'onde de l'ultraviolet et de l'infrarouge sont également importantes.

La terre

La planète Terre est également un émetteur de rayonnement, bien qu'il n'ait pas de réacteur en son centre, comme le soleil.

Les émissions terrestres sont dues à la décroissance radioactive de divers minéraux à l'intérieur, comme l'uranium et la radio. C'est pourquoi l'intérieur des mines profonds est toujours chaude, bien que cette énergie thermique soit une fréquence plus faible que le soleil émis.

Comme l'atmosphère de la Terre est sélective avec les différentes longueurs d'onde, la chaleur du soleil atteint la surface sans problème, car l'atmosphère laisse passer les principales fréquences.

Cependant, l'atmosphère est opaque avant le rayonnement infrarouge à faible énergie, comme celui produit sur terre en raison de causes naturelles et de la main humaine. En d'autres termes, il ne le laisse pas s'échapper à l'extérieur et contribue donc au réchauffement climatique de la planète.

Les références

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