2. Rayonnement thermique

Absorption et émission : Loi de Kirchhoff (1/4)

Absorption et émission

Gustav Kirchhoff a étudié l'interaction entre l'absorption des ondes électromagnétiques par la matière et l'émission de rayonnement thermique. L'absorption se caractérise par la transformation du rayonnement entrant en d'autres formes d'énergie, en particulier en chaleur, mais aussi en énergie chimique, comme dans la photosynthèse des plantes.

Par ailleurs, la matière peut réfléchir ou transmettre le rayonnement (ce qui signifie qu'elle est perméable au rayonnement). Un panneau de verre n'absorbe pas la lumière visible, alors qu'il réfléchit environ 10% de l'intensité de la lumière entrante. La situation peut être différente pour d'autres gammes spectrales : Le rayonnement infrarouge au-delà de 3,5 μm est absorbé par le verre, un panneau de verre est donc opaque. Un tissu noir absorbe la lumière visible, mais réfléchit le rayonnement dans le proche infrarouge à partir de 1 μm. Il est évident que ces caractéristiques dépendent des plages spectrales examinées.

Les absorptions peuvent être caractérisées par le degré d'absorption $α$ , qui indique quelle partie du rayonnement entrant dans un corps est absorbée par celui-ci :

α = \frac{puissance rayonnante absorbée}{puissance rayonnante entrante}

$α = 1$ indique une absorption totale, ce qui est une caractéristique des corps noirs
$α = 0$ correspond à une transmission ou une réflexion totale du rayonnement. De tels objets sont appelés corps blancs
si $α$ a une valeur comprise entre 0 et 1, il s'agit d'un corps gris.

La capacité d'émettre un rayonnement, le degré d'émission $ε$ pour le rayonnement thermique, peut être représenté de manière égale.

$ε = 0$ indique l'absence d'émission
$ε = 1$ représente le maximum d'émission possible.

Nous examinons ci-après quelle est la valeur maximale de l'émission.

Équilibre entre l'absorption et l'émission

Nous observons deux corps dans une boîte. L'un d'eux est noir, l'autre est blanc (image dans la colonne de droite). La cavité doit être totalement isolée de l'environnement. Par conséquent, les corps n'absorberont aucune énergie sous forme de chaleur ou de rayonnement provenant de l'environnement. Aucun d'entre eux n'émet d'énergie vers l'environnement non plus.

Les deux corps émettent un rayonnement thermique (les parois intérieures de la boîte sont importantes, mais nous ne nous y attarderons pas dans cette section). Le corps noir absorbe plus de rayonnement que le corps blanc. En raison de ce déséquilibre, à première vue, la température du corps noir devrait augmenter tandis que celle du corps blanc devrait diminuer : Cela pourrait être l'une des inventions les plus importantes pour le fonctionnement du réfrigérateur et du chauffage !

En réalité, on observe que les températures de ces corps se rapprochent l'une de l'autre et s'équilibrent au bout d'un certain temps : Le système est alors en équilibre thermique. Cette affirmation, fondée sur l'expérience, est appelée la loi zéro de la thermodynamique.

Cette contradiction évidente entre l'attente et l'expérience peut être expliquée par l'hypothèse suivante : Les degrés d'absorption et d'émission se comporteraient de manière similaire. Le corps noir, par rapport au corps blanc, absorbe plus de rayonnement en raison de son degré d'absorption élevé. Dans le même temps, il émettrait également plus de rayonnement.

Si les deux corps ont des températures différentes au départ, elles se rapprochent au fil du temps. Cela est dû à l'émission de rayonnement qui dépend de la température, alors que l'absorption ne dépend pas (ou très peu) de la température. Les corps atteignent finalement un état isotherme. Pour que cela devienne réalité, il faut que ce soit le cas :

Degré d'absorption

α

= Degré d'émission

ε

ou: $α / ε = 1$ .

Deux corps en équilibre thermique dans une cavité isolée de l'environnement. Les flèches représentent les puissances de rayonnement. Les lettres e et a représentent le rayonnement émis et absorbé par le corps blanc. Il existe un échange de rayonnement entre les corps et les parois intérieures de la cavité, mais il n'est pas pris en compte dans le graphique.

Le graphique montre que le corps blanc n'est pas totalement exempt d'absorption ; le « noir idéal » et le « blanc idéal » n'existent pas pour les corps réels.

Dès qu'un équilibre thermique est atteint, les puissances d'absorption et d'émission sont égales entre elles ( lignes pointillées au niveau des flèches). C'est pourquoi la température ne change plus dans un équilibre thermique. Un bilan plus détaillé se trouve dans le supplément 2.1.

Pour le degré d'émission maximal, cela conduit à un résultat important. A la page précédente, sur la base des examens de Kirchhoff, il a été établi que l'émission thermique des corps noirs atteint les valeurs les plus élevées possibles. $ε = 1$ est donc le degré d'émission des corps noirs. Ce qui suit est l'équation de définition :

ε = \frac{puissance émise par l'objet examiné}{puissance émise par un corps noir de même température}

Le degré d'absorption d'un objet peut être différent dans différentes gammes spectrales. Il en va de même pour le degré d'émission. Les corps dont l'absorption varie en fonction de la longueur d'onde sont appelés corps colorés, par opposition aux corps noirs, blancs et gris dont le degré d'absorption ne varie pas dans le spectre. Les degrés d'absorption et d'émission doivent donc être appliqués aux mêmes longueurs d'onde: