Rayonnement thermique

Le rayonnement thermique est un rayonnement électromagnétique généré par l'agitation thermique de particules dans la matière. Toute matière émet un rayonnement thermique. Le terme est souvent utilisé pour un domaine spectral allant de l'infra-rouge à l'ultraviolet bien que les mécanismes impliqués puissent générer les photons de plus faible ou plus grande énergie.

Si un objet émettant un rayonnement thermique est conforme aux caractéristiques physiques d'un corps noir, alors ce rayonnement est appelé rayonnement du corps noir. La loi de Planck décrit le spectre de la luminance de ce rayonnement, qui dépend uniquement de la température de l'objet. En particulier ce rayonnement est indépendant de la direction de propagation : il est isotrope. La thermodynamique d'un milieu contenant des photons et considéré comme un gaz de photons montre qu'il est également indépendant de la nature de la source qui le crée. La loi du déplacement de Wien détermine la longueur d'onde de la valeur maximale du spectre émis. La loi de Stefan-Boltzmann donne l'exitance (flux radiatif thermique) émise par une surface limitant un corps noir opaque.

Le rayonnement thermique est un des mécanismes principaux de transfert de chaleur.

Description du phénomène

Le phénomène décrit le comportement radiatif d'un système où se produisent émission et absorption d'un photon. Ces deux phénomènes complémentaires et étroitement liés permettent d'atteindre l'équilibre thermodynamique, caractérisé par le rayonnement du corps noir. Il est caractérisé par la luminance  donnant l'énergie propagée dans la direction    à la fréquence    (ou optionnellement tout autre variable caractérisant la position spectrale comme la longueur d'onde, le nombre d'onde, l'énergie, etc.).

Les photons émis, constituant le rayonnement thermique, ont une nature duale : ils peuvent être considérés comme des ondes (ondes électromagnétiques) plutôt décrit par la physique classique ou des corpuscules (photons individuels) décrits par la physique quantique. Les deux points de vues sont équivalents, mais il est plus commode de décrire des processus quantiques pour les gaz, et des processus électromagnétiques classiques pour les liquides et les solides[Mo 1].

Cas des gaz

L'énergie des gaz, à l'origine de l'émission des photons du rayonnement thermique, a pour origine l'énergie apportée par chacun de ses atomes, molécules ou ions (particules). L'énergie de chaque particule consiste en son énergie cinétique dépendant sa vitesse et son mouvement, et donc de la température, mais aussi de son énergie interne. Cette dernière possède plusieurs composantes : l'énergie des niveaux d'énergie des électrons, l'énergie de rotation des particules les unes autour des autres, et l'énergie de vibration de chaque particule[Mo 2]. Chacune de ces énergies sont quantifiées.

Un des mécanismes principaux d'émission est la désexcitation, qui peut porter sur tout degré de liberté d'une molécule (sauf translation : rotation, vibration, niveaux électroniques) d'une particule[1],[2],[3],[4]. Le photon est émis dans une direction aléatoire. Suivant la source de l'excitation on parlera d'émission spontanée après une interaction inélastique des particules[réf. souhaitée] d'émission stimulée après l'absorption d'un photon[réf. souhaitée]. Ce sont des mécanismes observés pour des températures relativement basses.

À plus haute température le milieu est ionisé et on peut observer le photoattachement par capture d'un électron ou la recombinaison radiative d'un ion et d'un électron[réf. souhaitée]. On parle alors d'émission par transition électronique entre un état lié et un état libre. Lorsqu'ils sont présents, ces électrons sont à l'origine d'un second mécanisme lié leur accélération dans le champ électrique généré par les toutes particules chargées. C'est le rayonnement continu de freinage[réf. souhaitée].

On met généralement à part les phénomènes de diffusion[réf. souhaitée], en particulier la diffusion Compton qui est un mécanisme d'absorption avec réémission à une fréquence moindre et dans une direction fixée[5] ;

Cas des solides

L'agitation des particules provoque une accélération des particules chargées qui génère une onde électromagnétique[6],[7],[8]. Le mécanisme dominant est lié aux électrons de la bande de conduction et décrit sommairement dans le modèle de Drude[réf. incomplète][9].

Exemples

Parmi des exemples de rayonnement thermique, on peut citer la lumière visible et infrarouge générée par les lampes à incandescence, la lumière infrarouge émise par les animaux et visualisable par une caméra thermique, et le fond diffus cosmologique.

La lumière du Soleil constitue une partie du rayonnement thermique émis par le plasma chaud du Soleil. La Terre émet également un rayonnement thermique, de plus faible intensité et dans l'infrarouge, étant beaucoup plus froid que le Soleil. L'absorption par la Terre du rayonnement thermique solaire, de laquelle s'ensuit une émission de rayonnement thermique, sont les deux processus principaux qui détermine la température et le climat de la Terre dans la plupart des modèles climatiques.

Articles liés

Bibliographie

  1. Chap 1.2 p. 3
  2. Chap 1.11 p. 21

Notes

Références

  1. (en) Richard M. Goody et Yuk Ling Yung, Atmospheric Radiation. Theoretical Basis, Oxford University Press, , 2e éd. (ISBN 0-19-510291-6), « Chap. 2: Theory of Radiative Tranfer, pages 33-39 et chap. 3 : Vibration-Rotation Spectra of Gaseous Molecules, pages 67-118 »
  2. (en) Dimitri Mihalas et Barbara Weibel Mihalas, Foundations of Radiation Hydrodynamics, Oxford University Press, (ISBN 0-19-503437-6, lire en ligne), « Chap. 6.2: Thermal Radiation »
  3. (en) Gerald C. Pomraning, The Equations of Radiation Hydrodynamics, Pergamon Press, (ISBN 0-08-016893-0), « Chap. I.3: Interaction of the Radiation Field with Matter, pages 3-9 et chap. VII : The Interaction of Radiation Field with Matter, pages 157-177 »
  4. (en) John R. Howell, R. Siegel et M. Pinar Mengüç, Thermal Radiation Heat Transfer, CRC Press, , 5e éd. (ISBN 978-1-4398-9455-2), « Chap. 9: Absorption and Emission in Participating Media, pages 441-454 »
  5. (en) Duffa G., Ablative Thermal Protection Systems Modeling, Reston, VA, AIAA Educational Series, (ISBN 978-1-62410-171-7), « Chap. 10 : Radiation, pages 263-276 »
  6. Bill W. Tillery Physical Science 10th ed Mac Graw Hill, 2014. p. 180 "Blackbody radiation"
  7. Blackbody Radiation Penn State College of Earth and Mineral Science. « If you recall from the very beginning of this lesson, we learned that when charged particles are accelerated, they create electromagnetic radiation (light). Since some of the particles within an object are charged, any object with a temperature above absolute zero (0 K or –273 degrees Celsius) will contain moving charged particles, so it will emit light »
  8. Blackbody radiation University of Virginia
  9. (en) Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics, John Wiley & Sons, , « Chap. 12 : Free Electron Theory of Metals, pages 223-248 et chap. 13 : Band Theory of Metals, pages 249-272 »