Pourquoi l'infrarouge "chauffe plus que le visible"?

[invite945d3fbd]

Bonjour a tous,
Je me torture l'esprit avec une question troublante.
Herschel a découvert l'infrarouge grace a un prisme et un thermometre de verre+mercure. (on peut voir une expérience similaire sur http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/c...l_example.html).
Je ne comprends pas pourquoi la lumiere infrarouge qui provient du spectre solaire chauffe plus que la lumiere bleue, verte et rouge.
D'une part, on voit que l'infrarouge proche du rouge chauffe plus que le rouge; cet infrarouge a une longeur d'onde plus petite que celle requise pour exciter les niveaux rotationaux des molécules (et quand on considere le mercure je ne suis meme pas sur que le mouvement rotationel des molécules ait quelque chose a voir avec l'échauffement de la matiere par les infrarouges proches du visible). D'autre part, les photons du visible provenant du soleil sont plus nombreux et plus énergétique que ceux qui composent le proche infrarouge.
De plus, d'apres http://en.wikipedia.org/wiki/Mercury-vapor_lamp, le mercure devrait absorber dans le visible et ultraviolet et non dans l'infrarouge.
Dans le 1er lien que j'ai donné, ils mentionnent que meme en noircissant le thermometre avec de la peinture noire, l'effet persiste (donc apparemment pas un effet du au mercure).
Je ne pense pas que le matériel du prisme y est pour quelque chose. Il a l'air de ne pas absorber beaucoup dans le visible et pas non plus dans l'infrarouge proche. S'il absorbait dans l'infrarouge proche alors il serait encore plus compliqué expliquer pourquoi l'expérience de Herschel donne ses résulats.
Je ne comprends vraiment pas ce qu'il se passe.

Je résume:
1)D'apres http://en.wikipedia.org/wiki/File:Solar_Spectrum.png, il y a plus de photons dans le visible que dans le proche infrarouge pour ce qui est du spectre solaire vu depuis la Terre.
2)Le mercure est supposé absorber plus dans le visible (et UV) que dans l'infrarouge.
3)Les photons dans le visible sont plus énergétiques que ceux dans le proche infrarouge (quoiqu'ils ont une énergie du meme ordre de grandeur ou presque)
4)L'effet persiste en remplacant le mercure par de la peinture noire.
5)Le matériel utilisé pour la réfraction ne semble pas etre la cause du fait que l'infrarouge "chauffe plus que le visible".

Quelqu'un a une idée?
Merci et a bientot.

P.S.:Je ne comprends pas pourquoi non plus le rouge chauffe plus que le vert et bleu et que le vert chauffe plus que le bleu (ok, il y a plus de photons "verts" que "bleus", mais pour les rouges?)
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[Amanuensis]

Beaucoup de points... Commençons par celui-là :

De plus, d'apres http://en.wikipedia.org/wiki/Mercury-vapor_lamp, le mercure devrait absorber dans le visible et ultraviolet et non dans l'infrarouge.

Il s'agit de l'absorption par le gaz, ce qui n'est pas la même chose que par le liquide. Pour ce dernier, tout le monde peut constater qu'il réfléchit le visible !

Les propriétés d'atomes ou ions isolés (gaz) sont différentes de celles d'un liquide métallique, dans ce dernier les électrons périphériques sont partagés et ce sont eux qui déterminent les propriétés d'absorption.

Exit le point 2.

[invite945d3fbd]

Beaucoup de points... Commençons par celui-là :



Il s'agit de l'absorption par le gaz, ce qui n'est pas la même chose que par le liquide. Pour ce dernier, tout le monde peut constater qu'il réfléchit le visible !

Les propriétés d'atomes ou ions isolés (gaz) sont différentes de celles d'un liquide métallique, dans ce dernier les électrons périphériques sont partagés et ce sont eux qui déterminent les propriétés d'absorption.

Exit le point 2.

Ok je suis d'accord avec vous. Il me semble correct de supposer que le mercure réfléchit aussi le proche infrarouge (je n'arrive pas a avoir d'information sur ca, sur internet).
Donc on enleve le point 2.
Merci pour l'aide.

[Amanuensis]

Sinon je pense, mais je n'étais pas aller au bout ce matin, ni depuis, que c'est peut-être un problème de densité d'énergie. Ce n'est pas tant si le visible ou l'IR chauffe plus en soi même, mais si l'étalement produit par le prisme étale plus ou moins l'énergie.

Si le prisme concentre le rouge et l'IR plus que le bleu ou le vert, on peut se retrouver avec pas mal d'énergie sur les thermomètres rouges et IR même s'il y a moins d'énergie au total, simplement parce que moins étalée.

La formule donnant l'étalement du spectre par un prisme montre un facteur en lambda², ce qui ne vas pas donner un étalement compatible avec les données usuelles sur les spectres, où la densité donnée est généralement par longueur d'onde (i.e., l'énergie entre lambda et lambda + delta, avec delta constant.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Amanuensis]

Il me semble correct de supposer que le mercure réfléchit aussi le proche infrarouge (je n'arrive pas a avoir d'information sur ca, sur internet).

Pour les métaux (liquides ou solides) c'est assez simple : ils réfléchissent au-dessus une certaine longueur d'onde. Si un métal est couleur argent, comme le mercure et bien d'autres, la coupure est dans l'UV, l'or a une coupure disons vers le vert, le cuivre une coupure vers le jaune (en gros). Pas trop de risque de se tromper en disant que le mercure liquide réfléchit le proche IR, et même bien en-dessous !

[invite945d3fbd]

Sinon je pense, mais je n'étais pas aller au bout ce matin, ni depuis, que c'est peut-être un problème de densité d'énergie. Ce n'est pas tant si le visible ou l'IR chauffe plus en soi même, mais si l'étalement produit par le prisme étale plus ou moins l'énergie.

Si le prisme concentre le rouge et l'IR plus que le bleu ou le vert, on peut se retrouver avec pas mal d'énergie sur les thermomètres rouges et IR même s'il y a moins d'énergie au total, simplement parce que moins étalée.

La formule donnant l'étalement du spectre par un prisme montre un facteur en lambda², ce qui ne vas pas donner un étalement compatible avec les données usuelles sur les spectres, où la densité donnée est généralement par longueur d'onde (i.e., l'énergie entre lambda et lambda + delta, avec delta constant.

Oh, je n'avais jamais remarqué ca. Ca pourrait etre un bon candidat pour expliquer le résultat de l'expérience de Herschel. On peut meme le voir sur une image du premier lien que j'ai donné. L'étalement du bleu et violet est plus grand que le rouge, etc.

Pour les métaux (liquides ou solides) c'est assez simple : ils réfléchissent au-dessus une certaine longueur d'onde. Si un métal est couleur argent, comme le mercure et bien d'autres, la coupure est dans l'UV, l'or a une coupure disons vers le vert, le cuivre une coupure vers le jaune (en gros). Pas trop de risque de se tromper en disant que le mercure liquide réfléchit le proche IR, et même bien en-dessous !

Ok merci pour l'info, encore une fois j'étais ignorant sur le sujet.
J'ai une autre question: Si le mercure réfléchit disons "aussi bien" le visible que le proche infrarouge, comment le thermometre peut se rendre compte quelle longueur d'onde lui parvient et réagir en fonction de celle-ci? Ne faut-il pas une absorption tout de meme?

[Amanuensis]

J'ai une autre question: Si le mercure réfléchit disons "aussi bien" le visible que le proche infrarouge, comment le thermometre peut se rendre compte quelle longueur d'onde lui parvient et réagir en fonction de celle-ci? Ne faut-il pas une absorption tout de meme?

Peut-être l'absorption de ce qui l'entoure ?

[invite2313209787891133]

Peut être aussi parce que ce ne sont pas des thermomètres avec du mercure...

[invite945d3fbd]

Peut-être l'absorption de ce qui l'entoure ?

Ah peut-etre en effet. Je vais voir si je peux faire l'expérience en maintenant un thermometre a mercure dans l'air, comme ca j'éviterai au maximum tout contact avec la matiere environnante.

Peut être aussi parce que ce ne sont pas des thermomètres avec du mercure...

Sur le site que j'ai donné, ils utilisent un thermometre (pas a mercure en effet) dont le bulbe a été noirci avec de la peinture noire. Cependant Herschel a fait son expérience avec un thermometre a mercure. Je l'ai lu sur un site qui avait l'air confiable, que je ne retrouve pas en ce moment. En le cherchant... bingo, j'ai trouvé http://home.znet.com/schester/calcul...hel/index.html. Ils donnent l'explication qu'Amanuensis a trouvé:

On first consideration, this result is surprising. The energy peak of the solar spectrum is at 0.60 micron (orange light), and definitely not in the infrared. So why did Herschel observe the highest reading in the infrared?

The answer turns out to be the experimental design, and a failure to correct for refraction. In Herschel's setup, sunlight is refracted by a prism. The index of refraction of course must vary with wavelength so that the sunlight would be dispersed into its various colors. If the index of refraction varied linearly with wavelength, Herschel would not have needed to correct for that variation, since the wavelengths would be uniformly spaced along his table.

However, since the index of refraction varies non-linearly with wavelength, the wavelengths will not be uniformly spaced along Herschel's measuring table. The actual spacing of the wavelengths versus distance along his table for an incidence angle of 45° from air into glass shows that the infrared region is much more highly concentrated than optical wavelengths. (The plot shows the spacing along the spectrum divided by the distance from the prism. Hence to get the actual spacing in cm or inches, multiply by the distance from the prism in cm or inches.) The relative concentration factor is shown normalized to 0.60 micron.

The net result is that Herschel's observed "temperature" should then peak in the infrared. The energy vs. wavelength plot for the "45° glass" model given above shows that Herschel's observed "temperature" should keep increasing toward longer wavelengths.

Probleme résolu.

[invitea6cd655d]

bonjour
aprés lecture de votre conversation , je ne suis pas sur d'avoir lz réponse a ma question : pourquoi un plat est-il mieux maintenu au chaud sous une lampe infrarouge que sous une lampe qui rayonnerait la meme puissance dans le visible? les infrarouges seraient mieux absorbés par la matière organique que le visible qui, lui serait davantage réfléchi ? merci

[LPFR]

bonjour
aprés lecture de votre conversation , je ne suis pas sur d'avoir lz réponse a ma question : pourquoi un plat est-il mieux maintenu au chaud sous une lampe infrarouge que sous une lampe qui rayonnerait la meme puissance dans le visible? les infrarouges seraient mieux absorbés par la matière organique que le visible qui, lui serait davantage réfléchi ? merci

Bonjour.
Je ne suis pas sur que ce soit vrai dans tous les cas.
Mais dans les cas où c’est vrai c’est votre explication qui est la bonne.
Au revoir.

[Amanuensis]

pourquoi un plat est-il mieux maintenu au chaud sous une lampe infrarouge

Une lampe infrarouge de quelles caractéristiques, quelle puissance?

que sous une lampe qui rayonnerait la meme puissance dans le visible?

Cela existe, de manière économiquement viable et sans danger?

les infrarouges seraient mieux absorbés par la matière organique que le visible qui, lui serait davantage réfléchi ?

Quand bien même. Suffirait de miroirs, d'un dispositif pour contenir la lumière pour qu'elle soit finalement absorbée en grande partie. (Et il y a des substances organiques sombres...)

[Boumako]

Bonjour

Effectivement les IR sont mieux absorbés que le visible, à quelques rares exceptions près. Pour un plat cuisiné on a une émissivité qui tourne aux alentours de 93 à 98%, tandis que la part absorbée dans le visible est inférieure à 50%. Par ailleurs une lampe qui produit des IR durera plus longtemps, car elle devra moins monter en température.

De plus il serait plus couteux de fabriquer une lampe qui ne produit que du visible, et son usage ne serait pas très commode : Une lampe à incandescence de 500W produit moins de 25W de lumière visible, une lampe IR classique a une puissance de 250W, donc pour obtenir la même efficacité en terme de chauffage il faudrait donc une lampe qui produirait autant de lumière qu'une ampoule à incandescence de 5000W. Il faudrait porter des lunettes de soudeur pour manipuler les assiettes...