La transfert de chaleur par rayonnement Il consiste en un flux d'énergie à travers les ondes électromagnétiques. Parce que ces ondes peuvent se déplacer dans un vide à la vitesse de la lumière, elles peuvent également transmettre de la chaleur.
Les ondes électromagnétiques ont tout un continuum de longueurs d'onde, appelé spectre et cela va des longueurs d'onde les plus longues et les moins énergétiques, aux plus courtes et les plus énergétiques.
Parmi eux se trouve le rayonnement infrarouge, une bande proche de la bande de longueur d'onde visible ou de la lumière, mais en dessous. De cette façon, de grandes quantités de chaleur du Soleil atteignent la Terre, traversant des millions de kilomètres.
Pero no solamente los objetos incandescentes como el Sol emiten calor en forma de radiación, en realidad cualquier objeto lo hace continuamente, solo que cuando la temperatura es baja, la longitud de onda es grande y por consiguiente la energía, que es inversamente proporcional a ella , est petite.
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Lorsque les électrons vibrent, ils émettent des ondes électromagnétiques. Si les ondes sont de basse fréquence, cela revient à dire que leur longueur d'onde est longue et que le mouvement de l'onde est lent, donc elle a peu d'énergie. Mais si la fréquence augmente, la vague se déplace plus vite et a plus d'énergie.
Un objet avec une certaine température T émet fréquemment des radiations F, de manière que T Oui F ils sont proportionnels. Et comme les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin d'un milieu matériel pour se propager, les photons infrarouges, responsables de la propagation du rayonnement, peuvent se déplacer sans problème dans le vide..
C'est ainsi que le rayonnement solaire atteint la Terre et les autres planètes. Cependant, avec la distance, les ondes s'atténuent et la quantité de chaleur diminue.
La loi de Stefan déclare que la puissance rayonnée P (à toutes les longueurs d'onde) est proportionnelle à T4, selon l'expression:
P =ÀσeT4
Dans les unités du système international, la puissance est en watts (W) et la température en kelvin (K). Dans cette équation, A est la surface de l'objet, σ est la constante de Stefan - Boltzman, qui est 5,66963 x10-8 W / mdeux K4,
Enfin e est le émissivité ou alors émission de l'objet, une valeur numérique sans unité, entre 0 et 1. La valeur est donnée en fonction du matériau, car les corps très sombres ont une émissivité élevée, le contraire d'un miroir.
Les sources de rayonnement, telles que le filament d'une ampoule ou le soleil, émettent un rayonnement dans de nombreuses longueurs d'onde. Celui du Soleil est presque entièrement dans la région visible du spectre électromagnétique.
Entre la longueur d'onde maximale λmax et la température T de l'émetteur il y a une relation donnée par la loi de Wien:
λmax ∙ T = 2,898. dix −3 m⋅K
La figure suivante montre les courbes d'émission d'énergie en fonction de la température en kelvin, pour un objet idéal qui absorbe tout le rayonnement qui le frappe et est à son tour un émetteur parfait. Cet objet s'appelle corps noir.
Les espaces entre les charbons des braises dans un four se comportent comme des émetteurs de rayonnement idéaux, de type corps noir, avec une approximation assez proche. De nombreuses expériences ont été réalisées pour déterminer les différentes courbes de température et leurs distributions de longueurs d'onde respectives..
Comme on peut le voir, plus la température est élevée, plus la longueur d'onde est courte, plus la fréquence est élevée et le rayonnement a plus d'énergie..
En supposant que le Soleil se comporte comme un corps noir, parmi les courbes représentées sur la figure, celle qui est la plus proche de la température de la surface solaire est de 5500 K. Son pic est à la longueur d'onde de 500 nm (nanomètres).
La température de la surface solaire est d'environ 5700 K. D'après la loi de Vienne:
λmax = 2 898 × 10 −3 m⋅K / 5700 K = 508,4 nm
Ce résultat est à peu près en accord avec celui vu dans le graphique. Cette longueur d'onde appartient à la région visible du spectre, cependant, il faut souligner qu'elle ne représente que le pic de la distribution. En réalité, le Soleil rayonne l'essentiel de son énergie entre les longueurs d'onde infrarouges, le spectre visible et l'ultraviolet..
Tous les objets, sans exception, émettent une forme de chaleur de rayonnement, cependant, certains sont des émetteurs beaucoup plus notables:
La cuisine est un bon endroit pour étudier les mécanismes de transfert de chaleur, par exemple le rayonnement est vu en approchant (soigneusement) la main du brûleur électrique qui brille en orange. Ou aussi aux braises d'un gril pour griller.
Les éléments résistifs des radiateurs électriques, des grille-pain et des fours deviennent également chauds et brillent en orange, transmettant également la chaleur de rayonnement..
Le filament des ampoules à incandescence atteint des températures élevées, entre 1200 et 2500 ºC, émettant de l'énergie distribuée sous forme de rayonnement infrarouge (la plupart) et de lumière visible, orange ou jaune..
Le Soleil transmet la chaleur par rayonnement vers la Terre, à travers l'espace qui les sépare. En fait, le rayonnement est le mécanisme de transfert de chaleur le plus important dans presque toutes les étoiles, bien que d'autres, comme la convection, jouent également un rôle important..
La source d'énergie à l'intérieur du Soleil est le réacteur de fusion thermonucléaire dans le cœur, qui libère de grandes quantités d'énergie par la conversion de l'hydrogène en hélium. Une grande partie de cette énergie est sous forme de lumière visible, mais comme expliqué précédemment, les longueurs d'onde ultraviolettes et infrarouges sont également importantes..
La planète Terre est également un émetteur de rayonnement, même si elle n'a pas de réacteur en son centre, comme le Soleil..
Les émissions de la Terre sont dues à la désintégration radioactive de divers minéraux à l'intérieur, tels que l'uranium et le radium. C'est pourquoi l'intérieur des mines profondes est toujours chaud, bien que cette énergie thermique soit d'une fréquence inférieure à celle émise par le Soleil.
Comme l'atmosphère terrestre est sélective avec différentes longueurs d'onde, la chaleur du Soleil atteint la surface sans problème, car l'atmosphère laisse passer des fréquences plus élevées..
Cependant, l'atmosphère est opaque aux rayonnements infrarouges de faible énergie, tels que ceux produits sur Terre par des causes naturelles et par des mains humaines. En d'autres termes, elle ne la laisse pas s'échapper vers l'extérieur et contribue donc au réchauffement climatique de la planète..
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