corps noir et température

[invite228b9ca9]

Bonsoir,

J'ai quelques soucis pour obtenir une définition claire d'un corps noir. J'ai vu sur ce forum que l'on dit que c'est un objet en équilibre thermique qui absorbe et réémet des rayonnements de n'importe quelle fréquence.
Le souci, c'est que dans le cours de thermo 2ème année de math spé, on ne fait aucunement référence à cette température fixe du corps noir. On indique en plus, comme exemple, une cavité avec un petit trou par lequel entre un rayonnement qui est absorbé par les parois internes de la cavité. Or, si ce rayonnement ne sort pas de cette cavité, la température devrait forcément augmenter, non ?
Je vous remercie par avance de vos éclaircissements.
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[invitea46d7942]

Bonsoir,

J'ai quelques soucis pour obtenir une définition claire d'un corps noir. J'ai vu sur ce forum que l'on dit que c'est un objet en équilibre thermique qui absorbe et réémet des rayonnements de n'importe quelle fréquence.
Le souci, c'est que dans le cours de thermo 2ème année de math spé, on ne fait aucunement référence à cette température fixe du corps noir. On indique en plus, comme exemple, une cavité avec un petit trou par lequel entre un rayonnement qui est absorbé par les parois internes de la cavité. Or, si ce rayonnement ne sort pas de cette cavité, la température devrait forcément augmenter, non ?
Je vous remercie par avance de vos éclaircissements.

Salut,
j'ai moi même mis pas mal de temps avant de comprendre ce qu'était vraiment un corps noir (j'espere que je ne vais pas montrer maintenant que je ne l'ai pas encore compris )
Comme tu le sais peut être,la matière porté à une certaine température rayonne de la lumière (par exemple, nous autres nous rayonnons dans l'infrarouge). Lorsque un objet rayonne, il perd de l'énergie, et donc se refroidit. Maintenant, si on retient la lumière qui est émis (par exemple, en plaçant des objet reflechissant tout autour du corps qui rayonne pour lui renvoyer sa lumière en pleine poire), le rayonnement va être en parti réabsorber par le corps . Si le corps rayonne plus qu'il ne réabsorbe, il va se refroidir tandis que l'energie du champ électromagnétique va augmenter , jusqu'à ce que le rayonnement soit suffisament intense pour que le corps émette autant qu'il absorbe. La quantité de lumière (ou le nombres de photons si tu preferes) va donc devenir à peu près constant (aux fluctuations statistiques près) et le corps est donc en équilibre thermodynamique avec son rayonnement .
Voilà pour ce qui concerne l'équilibre thermodynamique. Maintenant, comme tu le sais peut être, les atomes sont capables d'émettre ou d'absorber uniquement dans certaines fréquences. Au contraire, un corps noir se caractérise en ceci qu'il est capable d'émettre et d'absorber dans n'importe quelle fréquence.
Si un corps est capable d'absorber et de réemettre dans toutes les fréquences, il sera en équilibre thermodynamique uniquement si sa température et l'intensité lumineuse pour chaque fréquence reste constante (pour chaque fréquence, il y a autant de lumière émise que d'absorber, de sorte que ni le corps, ni le champ électromagnétique ne perdent de l'énergie) . Nous avons donc un spectre lumineux qui correspond à la température d'un corps .

[invitea46d7942]

On indique en plus, comme exemple, une cavité avec un petit trou par lequel entre un rayonnement qui est absorbé par les parois internes de la cavité. Or, si ce rayonnement ne sort pas de cette cavité, la température devrait forcément augmenter, non ?
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Pour répondre à cette question, le rayonnement ne doit pas entrer par le petit trou, sinon il y aurait apport d'énergie. Le petit trou est juste là pour qu'on puisse voir la lumière afin d'analyser son spectre, mais idéalement, si on était capable de voir à travers les murs, le système est une boite totalement hermétique, rien ne rentre et rien ne sort. L'énergie du système lumière+matière est conservé, l'équilibre thermodynamique est atteint quand l'énergie de chacuns des composants du système (lumière et matière) se stabilisent .

[obi76]

la réabsorption du rayonnement émis ne dépend pas de la température mais de la géométrie du système
Un corps noir "parfait" (à mon sens) serai une cavité fermée et hermétiquement parfaitement isolée de l'extérieur (exemple : un cube entouré de vide et ne pouvant pas rayonner vers l'extérieur.

Dans ce cas, quelque soit la direction d'émission du rayonnement de quelque point que ce soit arrivera forcément en un autre point de la cavité, assurant ainsi l'équilibre thermique de la chose.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitea46d7942]

la réabsorption du rayonnement émis ne dépend pas de la température mais de la géométrie du système
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Salut! Est ce que tu pourrais être plus explicite? Dans ton exemple, tu as choisi un cube (qui n'est pas l'objet le plus symetrique).Est ce que tu veux dire qu'une sphère ou une pyramide ne produirait pas le même spectre?

[obi76]

si, une enceinte fermée. A partir du moment que ce sera ouvert, il y aura perte vu que les rayonnements passeront en partie par là.

On peut même extrapoler à : à partir du moment que l'on l'observe, ce n'est plus un corps noir (enfin je pense)

[invitea46d7942]

si, une enceinte fermée. A partir du moment que ce sera ouvert, il y aura perte vu que les rayonnements passeront en partie par là.

On peut même extrapoler à : à partir du moment que l'on l'observe, ce n'est plus un corps noir (enfin je pense)

Ah d'accord, je viens de comprendre ce que tu voulais dire. Je suis tout à fait d'accord avec toi, c'est d'ailleurs ce que je disais lors de mon avant dernier message. En fait, dans mon exemple, le corps que je mettais en équilibre avec le rayonnement était entouré de paroi réflechissante, de sorte que la lumière ne puisse pas s'échapper et puisse lui revenir dessus. Sinon, on peut effectivement se contenter de considerer l'équilibre entre les parois et le rayonnement.

[obi76]

après lecture ici, j'en déduis qu'un corps noir est un corps, soit :

ayant une absorbtivité de 1 quelque soit la longueur d'onde et maintenue à une température uniforme et constante
soit qui a une absorbtivité constante mais différente de 1 (un objet "gris" quoi) mais dans ce cas dans une enceinte d'où les rayonnements ne peuvent ni entrer, ni sortir.

[calculair]

pour moi un corps noir absorbe tout rayonnement
alors sa temperature augmente
il finit par emettre autant d'energie qu'il en reçoit puisque le rayonnement augmente avec la température.

comme le corps noir absorbe un maximum d'energie, c'est aussi le corps le plus chaud à l'equilibre thermique

[obi76]

il n'a pas FORCEMENT besoin d'absorber le rayonnement, s'il le reflète (partiellement et indépendamment de la longueur d'onde, comme je l'ai dis plus haut), alors son profil d'émission reste celui d'un corps noir dans cette condition.

[invite217f3aaa]

Bonjour forum physique ! Je suis pas du tout dans la physique mais cette notion de corps noir est utilisé en climato de base. Aussi j'ai l'impression qu'on ne voit pas les choses de la même façon. Pouvait vous me dire si le petit paragraphe ci-dessous est juste ou incmplet. Merci d'avance.

il n'a pas FORCEMENT besoin d'absorber le rayonnement, s'il le reflète (partiellement et indépendamment de la longueur d'onde, comme je l'ai dis plus haut), alors son profil d'émission reste celui d'un corps noir dans cette condition

Un corps noir absorbe, par définition, toute la gamme des longuers d'onde et ne réfléchit aucune longueur d'onde. Il absorbe donc toute l'énergie reçue.
Mais il n'explose pas car il réemet toute cette énergie reçue dans une seule longueur d'onde qui dépend de sa température d'équilibre qui elle m^me dépend de la quantité d'énergie reçue, c'est bien ça ?
Aussi la loi de Steffan-Boltzman relie l'énergie réemise (= l'énergie reçue si on est à l'équilibre ) à la température du corps noir.
Et la loi de Wien permet de relier la longuer d'onde émise par un corps noir et sa température.
J'ai dit une bêtise ?

[calculair]

Bonjour forum physique ! Je suis pas du tout dans la physique mais cette notion de corps noir est utilisé en climato de base. Aussi j'ai l'impression qu'on ne voit pas les choses de la même façon. Pouvait vous me dire si le petit paragraphe ci-dessous est juste ou incmplet. Merci d'avance.

Un corps noir absorbe, par définition, toute la gamme des longuers d'onde et ne réfléchit aucune longueur d'onde. Il absorbe donc toute l'énergie reçue.
Mais il n'explose pas car il réemet toute cette énergie reçue dans une seule longueur d'onde qui dépend de sa température d'équilibre qui elle m^me dépend de la quantité d'énergie reçue, c'est bien ça ?
Aussi la loi de Steffan-Boltzman relie l'énergie réemise (= l'énergie reçue si on est à l'équilibre ) à la température du corps noir.
Et la loi de Wien permet de relier la longuer d'onde émise par un corps noir et sa température.
J'ai dit une bêtise ?

Non tu n'as pas dit de grosse betise.

Ta manière d'ecrire laisserait penser que le rayonnement du corps noir est monochromatique. ça c'est une " Grosse bettise"

De memoire, la loi de Stephan dit que l'intensité réémise est proportionnelle a la puissance 4 de la température. Le rayonnement est selon un spectre continu qui a un maximum qui se deplace avec la température. L'enveloppe du spectre est donné par la formule de Planck ou Bolzman ( à moins qu'elle porte le nom des 2 physiciens)

[invite217f3aaa]

Ta manière d'ecrire laisserait penser que le rayonnement du corps noir est monochromatique

C'est effectivement ce que je croyais il y a encore 5 minute ! Merci à toi de cette précision.
Bonne journée.

[Deedee81]

Salut,

Je ne suis pas d'accord avec la citation (désolé orbi ) : ajoute un miroir semi-transparent, indépendant de la longueur d'onde, devant un corps noir et le rayonnement "émis/reflété" ne sera pas celui d'un corps noir (il dépendra du rayonnement incident, ce qui ne doit pas être le cas d'un corps noir).

Mais je ne suis pas certain d'avoir compris ce qu'il disait. Il me semble qu'il parlait des parois interne du "four corps noir". Dans ce cas, oui, ce que dit orbi est correct. D'ailleurs, dans ce cas, le corps noir n'est pas le four, ni son intérieur mais.... le petit trou ouvert dans le four. Un trou corps noir mais pas un trou noir

Notons qu'il n'y a rien de plus absorbant au rayonnement qu'un trou (j'exagère car il pourrait y avoir réflexion par les parois internes du four vers le trou).

Orbi,

Peux-tu corriger / confirmer ? Attention, je trouve la conversation de ce fil assez "hachée". On a facilement extrait une bêtise (hors contexte)

Mais il n'explose pas car il réemet toute cette énergie reçue dans une seule longueur d'onde

Tout est juste, sauf ça : le spectre d'émission est centré autour d'une longueur d'onde précise (qui dépend de T) mais elle n'est pas concentrée sur cette longueur d'onde !
http://www.led-fr.net/images/rayonnement_corps_noir.png

[obi76]

Effectivement je pensais qu'un corps noir pouvait absorber partiellement la lumière qu'il reçoit, en quel cas le spectre de ce qu'il émettrai serai de la même forme, mais juste amoindri en puissance.

Du moins c'est ce que je pensais mais d'après Wikipedia :

Le corps noir est un objet idéal qui absorberait toute l'énergie électromagnétique qu'il reçoit, sans en réfléchir ou en transmettre.

Donc je me suis magistralement planté ^^

Méa culpa

[invite40271050]

Bjr à tous,
Un corps noir réemet cequ'il reçoit , certes, mais s'il ne reçois RIEN: à l'intérieur d'une boite fermée au zéro absolu.
C'est quoi donc comme définition ? Il ne réemet pas ! Inpalpable ?
A vous lire.
Coridialement

[Deedee81]

Salut,

Un corps noir réemet cequ'il reçoit , certes, mais s'il ne reçois RIEN: à l'intérieur d'une boite fermée au zéro absolu.
C'est quoi donc comme définition ? Il ne réemet pas ! Inpalpable ?

Il faut aussi un équilibre thermique. Il y a donc deux conditions pour un corps noir.

Donc, ton corps sera à 0K et dans ce cas l'émission du corps noir c'est : rien

Note aussi que la source d'énergie à l'origine de l'émission ne doit pas nécessairement être le rayonnement reçu. Ce qu'il faut c'est que le rayonnement qui serait éventuellement reçu soit totalement absorbé. Par exemple, le Soleil est un assez bon corps noir C'est aussi le cas du four dont il a été discuté (dans ce cas, aussi, le corps n'a pas besoin d'être à la température de "l'extérieur", il suffit qu'il ait une température homogène et constante, dans ton cas, si ton corps est à T>0K, le rayonnement émis existera mais il risque de vite réchauffer la boite et l'équilibre thermique sera vite rompu).

[obi76]

Pourquoi une boite au zero absolu ?
Le corps noir c'est l'intérieur de la boite. S'il est au zero absolu, il n'émet rien, donc ne reçois rien.
Si l'intérieur de la boite est à 1000K, alors en chaque point de la surface il émettra dans toutes les directions des photons définis par la distribution de Boltzmann... donc chaque point de l'intérieur de la boite recevra des photons venant de toute la surface.
Il s'instaure donc un équilibre

EDIT : grillé par Deedee mais j'ai grillé Calvert

[Calvert]

Oui, je pense qu'un corps noir à température nulle n'émet pas (en tout cas, c'est ce que donne la loi de Planck en faisant tendre T vers 0).

[Deedee81]

Donc je me suis magistralement planté ^^

En plus, c'est très honnète de le dire car avec la discussion hachée, je n'étais pas sûr.

Ca me rappelle mon "opérateur temps" il n'y a pas longtemps (ou "les effets gravitationnels non locaux en RG" il y a nettement plus longtemps, j'en suis encore rouge de honte).

EDIT : grillé par Deedee mais j'ai grillé Calvert

Oui, je pense qu'un corps noir à température nulle n'émet pas (en tout cas, c'est ce que donne la loi de Planck en faisant tendre T vers 0).

Exact et ceci même si on travaille avec les statistiques de Fermi-Dirac ou Bose-Einstein. Il reste juste les fluctuations quantiques, y compris du champ EM, mais ce n'est pas une émission thermique ni même une émission d'ailleurs. Leur caractère est plutôt "stationnaire" (le vide quantique étant invariant de Lorentz, il ne saurait avoir de direction de propagation, bien qu'il puisse être anisotrope).

(Wikipedia)
Quand T->0,

[invite0324077b]

un corp noir parfait absorbe tout , et emet uniquement en fonction de sa temperature

quand on eclaire un corp noir quelque soit le spectre de cet eclairage , la temperature va monter jusqu'a ce que l'emission du corps noir emette autant de puissance qu'il nen recoit

c'est la base de l'effet de serre : on met un vitre qui laisse passer la lumiere qui arrive et qui empeche de sortir l'infrarouge a basse frequence qui est réemise par le corp noir

pourquoi un trou est un bon corp noir ? : si on a de la ferraile qui n'est pas parfaitement noire qui reflechis 10% : si un rayon lumineux qui entre dans le trou doit faire plusieurs reflections avant de retrouver la sortie il aura bien donné toute l'energie

le raisonnement inverse marche aussi : si chaque element de la cavité emet moins qu'un corps noir , ce qui est emis dans chaque coin de la boite se reflechis dans tout les sens , et le trou emet comme un corp noir parfait

gros avantage du trou comme corps noir : si on met un corp noir au foyer d'une parabole solaire , ca risque de fondre , l'energie a evacuer est tres concentré , et comme le corp n'est pas parfaitement noir il y a de la perte par reflexion : si on met une chaudiere avec un trou au foyer , c'est un corps noir parfait , pas de reflexion , et la chaleurs est repartie sur la surface interieur de la chaudiere : beaucoup plus facile a utiliser

le trou se comporte comme un corp noir dont la temperature est la temperature de la boite : il faut bien sur que la temperature de la boite soit uniforme