une parabole à froid...

[invite8c514936]

Bonjour à tou(te)s,

En ce matin de grand froid, je soumets à votre sagacité une expérience de physique, pas très connue je crois (?) mais instructive... (et assez facile à reproduire)

Vous connaissez tous les fours solaires, qui marchent sur le principe suivant : on place un objet à chauffer au foyer d'un mirroir parabolique. Ce miroir concentre les rayons du soleil vers l'objet et le chauffe...

A la fin du 18ème siècle, Marc-Auguste Pictet eut l'idée de tenter l'expérience en tournant le miroir non pas vers une source chaude comme le soleil, mais vers une source froide. Il s'est alors rendu compte que l'objet refroidissait beaucoup plus vite que son environnement, comme si le miroirs "concentrait des rayons de froid". On sait maintenant que des rayons de froid ça n'existe pas... Comment expliquer physiquement ce résultat a priori surprenant ?
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[inviteeecca5b6]

Quand on oriente le miroir vers une source froide, cela produit l'inverse de la source chaude. Non pas que des rayons froids sont convergés a la focale, mais que aucun rayon chaud ne le soient. Donc ca agit un peu comme une "ombrelle" pour la chaleur venant d'ailleurs...
Enfin je crois...

[invite7ce6aa19]

Probleme tres amusant.

Si une source chaude est placé au foyer d'une parabole dirigé vers l'espace, le corps se refroidit jusqu"a atteindre 0K (en négligeant le rayonnement du fond diffus à 3K).

Remarque: cette expérience est couramment réalisée sur Terre , sans parabole! Au pôle nord actuellement celui-ci perd son énergie par rayonnement dans l'espace et atteind seulement -60°C parcequ'il recoit de la chaleur en provenance de l'équateur

[invite8c514936]

Donc ca agit un peu comme une "ombrelle" pour la chaleur venant d'ailleurs...

Il y a un peu de ça... (tu chauffes... désolé j'ai pas pu m'empêcher... ). Mais comment expliquer que le corps devienne plus froid que son environnement, jusqu'à atteindre la température du corps vers lequel on dirige la parabole ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteeecca5b6]

ah d'accord... en fait le sujet perds sa chaleur en rayonnant dans l'éspace... Mais ca éxplique pas pourquoi il la perd plus vite !? a moins que...

[invitea0046ad4]

Réciprocité des lois de Kirchhoff.

Explication avec les mains :
La notion de source est ici très relative : on appelle habituellement "source" le corps chaud, et "récepteur" le corps froid, ce qui est tout à fait conventionnel. Les deux rayonnent de l'énergie et en recoivent, mais le "chaud" rayonne plus que le "froid", et tant qu'on n'est pas à l'équilibre, il rayonne plus qu'il n'absorbe et donc se refroidit.
La source et le récepteur définissent l'étendue géométrique du faisceau (pour simplifier, le produit surface*angle solide, la mesure du faisceau s'appuyant sur la source et le récepteur) et source et récepteur échangent de l'énergie qui s'"écoule" à travers cette étendue géométrique jusqu'à atteindre l'équilibre thermodynamique.
(pour être plus précis, si on veut faire le calcul, source et récepteur doivent être ramenés dans le même espace, modulo l'imagerie du système optique, dans ce cas, la parabole).

Il ne faut pas raisonner en terme de rayons géométriques, mais de transport de flux, d'étendue géométrique de faisceau, de théorème de conservation de la luminance.
Le flux est précisément égal au produit de la luminance par l'étendue géométrique du faisceau, et ce quel que soit la géométrie du système optique, en vertu du théorème de conservation de la luminance.
On peut projeter ces "rayons froids" avec n'importe quel système optique, et on rencontre tout à fait ce type de problèmes dans les optiques militaires (autodirecteurs de missiles...), les cryostats, etc.

A+

[invitec913303f]

Salut, alors je my met aussi. Lorsque j'oriente la parabole vers le corps froid, l'objet ne reçois que les faibles rayonement de cet objet. Le rayonement du corps chaud se diffuse, voir est absorbé par le corps froid non? L'objet refroid donc, et se met au seuil de température à la quel il est exposé.
Je fait éreur?
@+
flo

[inviteeecca5b6]

D'accord, il y a établissement d'un équilibre de flux de chaleur, etc etc... Mais ca c'est vrai avec et sans la parabole non ??
Alors qu'est-ce qui fait que ca se produise plus vite ?

[invitea3eb043e]

Il y a un autre facteur qui intervient, c'est que la parabole écrante le rayonnement ambiant (comme elle est réfléchissante, elle ne rayonne pas, loi de Kirchhoff). Donc le corps ne reçoit pas de chaleur rayonnée par le sol et pas non plus de l'espace qui est vide, ou presque.
Evidemment, si on souffle dessus avec un sèche-cheveux, ça ne tient plus, tout ça !

[invitec913303f]

Il y a un autre facteur qui intervient, c'est que la parabole écrante le rayonnement ambiant (comme elle est réfléchissante, elle ne rayonne pas, loi de Kirchhoff). Donc le corps ne reçoit pas de chaleur rayonnée par le sol et pas non plus de l'espace qui est vide, ou presque.
Evidemment, si on souffle dessus avec un sèche-cheveux, ça ne tient plus, tout ça !

Oui, voila, j'ai pensé sa aussi. En fait, il s'agit d'isoler l'objet de sorte à ce qu'il se retrouve dans un confinement bien préci.
n'es pas?

[invitea0046ad4]

Il y a un autre facteur qui intervient, c'est que la parabole écrante le rayonnement ambiant (comme elle est réfléchissante, elle ne rayonne pas, loi de Kirchhoff). Donc le corps ne reçoit pas de chaleur rayonnée par le sol et pas non plus de l'espace qui est vide, ou presque.
Evidemment, si on souffle dessus avec un sèche-cheveux, ça ne tient plus, tout ça !

Oui, tout à fait.
Et même indépendamment du rayonnement du sol.
Le miroir lui-même a une émissivité très faible : en étant à la même température que l'objet au foyer de la parabole, il rayonne beaucoup moins par unité de surface et se refroidit moins vite (sauf si l'objet est aussi réfléchissant, évidemment).

[invitea0046ad4]

Salut, alors je my met aussi. Lorsque j'oriente la parabole vers le corps froid, l'objet ne reçois que les faibles rayonement de cet objet. Le rayonement du corps chaud se diffuse, voir est absorbé par le corps froid non? L'objet refroid donc, et se met au seuil de température à la quel il est exposé.
Je fait éreur?
@+
flo

Oui. L'objet au foyer se refroidit à travers le faisceau s'appuyant sur le contour de l'objet et sur le contour du corps froid. Le corps froid reçoit l'énergie du corps chaud jusqu'à égalisation des températures.

A+

[invitee8334059]

L'objet au foyer se refroidit à travers le faisceau s'appuyant sur le contour de l'objet et sur le contour du corps froid. Le corps froid reçoit l'énergie du corps chaud jusqu'à égalisation des températures.

Bonjour, il me semble que si on considère que la chaleur peut être transféré selon trois processus (conduction, convection, transfert radiatif) on peut comprendre que:
d'une part la parabole ne peut pas réaliser de convection initialement donc elle opère soit par transfert radiatif, soit par conduction.
La conduction oblige le système à déplacer des électrons, donc ne peut être opérant que si le système a une certaine énergie ou si la parabole est faite avec un métal.
Dans le cas présent, je suppose que la parabole n'est pas faite de métal mais de céramique,la céramique conduit la chaleur je crois mais pas le courant électrique.
Donc à priori avec une parabole de ce type on doit pouvoir recevoir de la chaleur mais pas en émettre.
Or le froid est produit si le système perd de la chaleur donc il doit interagir avec une autre source.
Si cette source est, comme on le suppose, un rayonnement, dans ce cas ma parabole en céramique a des chances d'être opaque aux courtes longueurs d'ondes.Autrement dit, avec une parabole en céramique il me faut absolument un rayonnement de grande longueurs d'ondes pour que ça chauffe.
Et si je cherche à la refroidir, je dois faire en sorte que le rayonnement "pompe" de l'énergie à ma céramique.
Avec une parabole en métal ça ne marche pas car dans ce cas on a une cage de Faraday:le rayonnement est absorbé par la parabole puis réfléchi en partie.
La céramique ou un matériau qui absorbe la chaleur sans être conducteur présente l'avantage de chauffer beaucoup si focalise un rayonnement dessus.Le problème est qu'elle chauffe beaucoup et nous on veut la refroidir.
Et bien ce n'est pas un problème si on utilise la chaleur pour coupler notre parabole avec une pompe à chaleur.
Ainsi voici comment on opère:
On prend un matériau qui chauffe beaucoup et réémet peu puis on fait en sorte que toute la chaleur qu'il reçoit soit "échangé" par du froid avec un système qui lui est associé et qui refroidit la parabole en échange de chaleur.
On pourrait aussi bien coupler la parabole avec un thermostat, de ce fait le système perd de l'énergie naturellement et ne la récupère pas à priori.

A priori je n'ai pas testé mais il me semble que cela pourrait marcher, qu'en pensez vous?