Rayonnement émis par la matière ; comment ça marche ?

[invited24188ba]

Bonjour à tous,
voici une question que j'ai posée dans le forum FS consacré à l'environnement et à l'habitat écologique. Je n'y ai pas vraiment obtenu de réponse, je tente donc ma chance ici, en espérant que vous aurez un peu de patience face à mon ignorance crasse

J'ai cru comprendre que toutes les masses émettent un rayonnement électromagnétiques (du moins, celles qui sont à plus de 0° Kelvin). Le rayonnement solaire qui nous parvient est très varié en terme de longueur d'ondes : lumière visible, UV, IR, rayons X, etc. Les matériaux et les êtres vivants, sur terre, émettent surtout des IR.

Ma question est : qu'est ce qui détermine les propriétés du rayonnement émis par la matière ? On m'a affirmé que c'est la chaleur d'un corps qui détermine sa longueur d'onde. Est-ce vrai ? Si oui, peut-on trouver des tableaux d'équivalence, du type X Kelvin = Y mètres de longueur d'onde ? Et qu'est-ce qui fait varier l'amplitude du rayonnement ?

Tant que j'y suis, une p'tite dernière . Comment expliquer l'effet de paroi froide que l'on ressent à proximité d'un mur froid ou d'un simple-vitrage en hiver ? Est-ce que mon corps perd plus de chaleur, la paroi froide "pompant" mon rayonnement ? Ou y-a-t-il (comme je l'ai lu) un "rayonnement froid" venant de la paroi (ce qui me semble bizarre...).

Toutes ces questions ont pour but de comprendre "à fond" le confort thermique dans une maison, et de l'optimiser.

Merci du temps que vous y consacrerez !
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[Garion]

Tant que j'y suis, une p'tite dernière . Comment expliquer l'effet de paroi froide que l'on ressent à proximité d'un mur froid ou d'un simple-vitrage en hiver ? Est-ce que mon corps perd plus de chaleur, la paroi froide "pompant" mon rayonnement ? Ou y-a-t-il (comme je l'ai lu) un "rayonnement froid" venant de la paroi (ce qui me semble bizarre...).

Ton corps rayonne en permanence, les parois d'une maison aussi, mais si la paroi est plus froide que ton corps, tu rayonnes plus vers elle que ce qu'elle rayonne vers toi, donc tu te refroidis.

[invitea8d97425]

Bonjour,

Je réponds à la première partie des question, laissant le reste aux autres...

Il s'agit en fait de la théorie du rayonnement du corps noir. Tout d'abord, un corps noir est un matériau absorbeur intégral, ie. qui absorbe la totalité du rayonnement électromagnétique qu'il reçoit. Une bonne modélisation du corps noir est de prendre une petite ouverture doans un volume fermé avec une paroi interne réfléchissante: tout le rayonnement qui y rentre, par réflexions successives, ne pourra en ressortir. Or Planck a démontré (et ça lui a vallu le Prix Nobel) qu'un gaz de photon (ie. un volume ne contenant que du rayonnemment à une température fixée) arrivait à un "équilibre de rayonnement" tel que le rayonnement reçu par les parois suivait une certaine répartition en fonction de la température et de la longueur d'onde. Voir ici (milieu de page) pour une allure de la courbe. On montre donc (par l'analogie théorique précédente) que le rayonnement émis par un corps noir suit aussi cette loi.

Ensuite de ça, il y a encore 2 lois : d'abord, la loi de Wien, qui relie la longueur d'onde du maxima d'émission de la courbe précédente et la temprérature du corps noir selon :
l_m*T = 2898 microm.K

Ceci explique entre autres pourquoi le maxima d'émission du Soleil (qui est quasiment un corps noir) est dans le jaune.

Il y a aussi la loi de Stefan : le flux surfacique émis par un corps noir est fonction de la puissance quatrième de sa température selon :
Phis = S*T⁴ avec S constante de Stefan, S = 5.67*10^-8 USI

Autrement dit, plus un corps noir est chaud, plus il émet de lumière.

Ceci est bien sûr un modèle théorique, mais le modèle du corps gris est souvent vérifié. C'est le même (ou presque) que celui du corps noir, mais pour la loi de Stefan, on mulitplie Phis par un coefficient appelé émissivité du corps (il varie entre 0 et 1).

Ithilian, qui vient de revoir 2 chap de phy en vacances

[invited24188ba]

Merci, Ithilian le Breton ! J'ai relu à peu près 12 fois , mais j'ai compris l'essentiel (et ton lien est très bien).

Une précision : la loi de Wien permet uniquement de calculer la longueur d'onde la plus fréquente (le "haut de la courbe", quoi). C'est bien ça ? Et comment détermine-t-on l'ensemble du spectre ?

Et une autre : en quelle unité se mesure le flux Phis ? en Watts ????

Garion : content de te voir ici, et merci à toi aussi.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitea8d97425]

L'ensemble du spectre est donné par la loi de répartition de Planck dont j'ai parlé juste au dessus. Voir par exemple ici pour l'expression exacte. Wien donne effectivement la position du maximum.

Phis est un flux surfacique donc en W.m^-2

[invited24188ba]

Merci ! (et encore merci, parce que si je poste juste"merci", une boite de dialogue apparait pour me dire que mon message doit faire 10 caractères minimum. Voilà qui est fait !)

[invited24188ba]

Une dernière question de néophyte : si je m'éloigne d'une source chaude, je vais avoir plus froid. Est-ce que ce phénomène est simplement une histoire d'angle (la source chaude rayonne sur 360° -je raisonne en 2D - , si je suis près je capte, mettons 30° et si je suis loin je capte seulement 1 ou 2 degrés), ou est-ce que le rayonnement arrive "affaibli" ?

En d'autre terme, le rayonnement change-t-il avec la distance (longuer d'onde, amplitude)?

D'autre part, quelle est l'influence de l'amplitude du rayonnement sur la quantité de chaleur que je vais capter ? + d'amplitude = + d'énergie ? ou ça n'a rien à voir ?

Merci d'avance !

[inviteb836950d]

Oui, tu as raison. La source émet une quantité d’énergie par seconde (E), cette énergie se retrouve sur la surface d’une sphère centrée sur la source. En fait, la même énergie (E) se retrouvera sur la surface de n’importe quelle sphère centrée sur cette source. La surface d’une sphère étant S=4piR2. La quantité d’énergie reçue par unité de surface est donc E/S soit donc inversement proportionnel au carré de la distance.

[invited24188ba]

Merci philou21. C'est donc bien une histoire d'angle. J'en déduis que les propriétés du rayonnement ne varient pas avec la distance.

Personne n'a une idée sur la question de l'amplitude du rayonnement ? La T° détermine la longueur d'onde, et donc la puissance du flux énergétique, mais quel paramètre détermine l'amplitude ?
Et quels sont les effets de l'amplitude ? Influence sur la puissance du flux, ou non ?

Merci à tous ceux qui contribuent à allumer la lumière dans ma p'tite tête...

[invite88ef51f0]

Salut,
L'amplitude est donnée par la loi de Planck (en fait, elle donne la luminance, mais c'est l'intensité par unité de surface et d'angle solide). Par contre, en pratique les corps réels ne rayonnent pas aussi bien qu'un corps noir réel, donc il y a un coefficient devant (par exemple 0,5). C'est ce qu'on appelle l'émissivité, il me semble.

quels sont les effets de l'amplitude ? Influence sur la puissance du flux, ou non ?

L'intensité lumineuse, c'est-à-dire l'énergie par unité de surface, est proportionnelle au carré de l'amplitude.

[invited24188ba]

Merci coincoin. Ouf ! Je me souviens maintenant pourquoi j'ai pas fait un bac scientifique...

Il me manque encore une petite partie de la réponse : qu'est ce qui fait varier l'amplitude du rayonnement ? Qu'est ce qui fait que, pour une longueur d'onde donnée, je vais avoir une grosse ou une faible amplitude ? C'est sans doute pas la température, puisqu'elle joue sur la longueur d'onde. Alors c'est quoi ? La masse ???

Allez les p'tits gars (z'et les p'tites filles), un dernier petit effort SVP... Et vous pourrez dire que vous avez remis une âme égarée sur la route de la pensée rationnelle et hypothético-déductive...

PS : et essayez donc de faire des phrases sans chiffre ni équation, comme ça, juste pour rire !

[inviteb836950d]

C'est assez simple : la quantité élémentaire de rayonnement est le photon. Ce photon est caractérisé par une longueur d'onde, c’est un "grain" d'énergie. L'énergie de ce photon est proportionnelle à la longueur d'onde. Quand un corps émet de la lumière il peut émettre plus ou moins de photons : plus il y a de photons plus l’amplitude est élevée. L’énergie est en fait proportionnelle au carré de l’amplitude. L’énergie est donc proportionnelle au nombre de photons émis par la matière (carré de l’amplitude) ainsi qu’à la longueur d’onde du rayonnement.

[invite88ef51f0]

Philou21, tu ne fais que repousser le problème (qu'est-ce qui fixe le nombre de photons ?).
Comme je l'ai dit dans le message précédant, l'amplitude est aussi fixée par la température. La loi de Planck te donne toute le spectre du rayonnement : longueur d'onde du maximum et valeurs à toutes les longueurs d'onde. Ensuite, il suffit de connaître l'angle sous laquelle la source émet et sa surface, ainsi que son émissivité (égale à 1 pour un "coprs noir").
Un corps froid rayonne très peu, et à grande longueur d'onde. Un corps chaud rayonne beaucoup et à petite longueur d'onde.

[invited24188ba]

Merci à tous, c'est désormais plus clair (je dirais même plus : lumineux )