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Transfert thermique :
Rayonnement
Le rayonnement est fondamentalement différent des deux autres types de transfert de chaleur, en ce sens que les substances qui échangent de la chaleur n'ont pas besoin d'être en contact l'une avec l'autre. Elles peuvent même être séparées par le vide. La manifestation la plus commune de ce phénomène est celle du rayonnement solaire qui nous parvient sur la terre après avoir parcouru une distance considérable dans le vide spatial.
Le rayonnement est l'émission d'ondes électromagnétiques par un corps chauffé, une explication générale du phénomène étant fournie par la théorie quantique. En 1900, le physicien allemand Max Planck utilisa la théorie quantique et le formalisme mathématique de la mécanique statistique pour vérifier la loi fondamentale du rayonnement, dite loi de Stefan. L'expression mathématique de cette loi indique que la puissance totalement émise (toutes longueurs d'onde comprises) par un corps chauffé est proportionnelle à T(e4), T étant la température absolue (c'est-à-dire exprimé en °K) du corps. Seul un corps noir émet un rayonnement qui satisfait exactement à la loi de Planck, les corps réels émettant avec une puissance inférieure à celle que prévoit la loi de Stefan.
La contribution de toutes les fréquences à l'énergie de rayonnement est appelée pouvoir d'émission du corps : c'est la quantité d'énergie émise par unité de surface et par unité de temps. Le facteur de proportionnalité de la loi de Stefan est appelé constante de Stefan-Boltzman, du nom des deux physiciens autrichiens Josef Stefan et Ludwig Boltzmann, qui, respectivement, en 1879 et en 1884, découvrirent la relation entre le pouvoir d'émission et la température. Ainsi, plus la température est élevée, plus la puissance émise est importante. Outre l'émission, toutes les substances sont également capables d'absorber un rayonnement.
Les surfaces opaques peuvent absorber ou réfléchir les rayonnements incidents. En général, les surfaces mates et rugueuses absorbent mieux le rayonnement que les surfaces brillantes et polies. À l'inverse, les surfaces brillantes réfléchissent mieux le rayonnement que les surfaces mates. Les corps dotés d'un bon pouvoir d'absorption sont également de puissants émetteurs de chaleur, alors que les bons réflecteurs sont de mauvais émetteurs. Par exemple, les ustensiles de cuisine sont dotés de fonds mats pour une bonne absorption de la chaleur et de côtés polis pour une émission minimale, afin d'améliorer les transferts de chaleur.
On observe que les capacités d'absorption, de réflexion et de transmission d'une substance dépendent de la longueur d'onde du rayonnement incident. Le verre, par exemple, transmet de grandes quantités de rayonnement ultraviolet (ondes courtes), mais transmet mal le rayonnement infrarouge (ondes longues).
Le rayonnement fait intervenir un mécanisme physique qui est le rayonnement électromagnétique, dont la propagation est quasi instantanée, du moins à l’échelle des distances terrestres. Tous les corps solides, liquides ou gazeux émettent un rayonnement de nature électromagnétique. Cette émission d’énergie s’effectue au détriment de leur énergie interne.
Ce rayonnement thermique n’est pas une onde monochromatique. Il est composé de radiations de longueurs d’onde différentes, comprises entre 0,1 mm et 100 mm, donnant des spectres continus dans le cas des solides, ou des spectres de bandes dans le cas de certains gaz. Cette gamme de 0,1 mm à 100 mm ne représente qu’une toute petite portion du spectre des ondes électromagnétiques, qui s’étend de 10-8 mm pour les rayons cosmiques jusqu’à plusieurs Km pour les ondes hertziennes.
Le spectre électromagnétique
La propagation du rayonnement thermique s’effectue dans le vide en ligne droite, et à la vitesse de la lumière (3.10e8 m/s), sans aucune diminution de l’énergie transportée. On dit, de ce fait, que le vide est un milieu parfaitement transparent.
La plupart des gaz simples (O2, H2, N2) sont également des milieux parfaitement transparents. Par contre, certains gaz composés (en particulier CO2, H2O, CO), sont en revanche dits partiellement transparents, car la propagation s’y accompagne d’une diminution de l’énergie transportée, ce qui accroît d’autant l’énergie interne du gaz traversé. Certains liquides et solides (plastiques, verres) entrent également dans cette catégorie.
La grande majorité des liquides et solides sont au contraire dits opaques, car ils arrêtent la propagation de tout rayonnement dès leur surface. Un rayonnement incident Φ qui arrive sur un corps opaque, est en partie réfléchi (Φr), tandis que le reste est absorbé (Φa) sous forme de chaleur au voisinage de l’impact.
Interaction d’un rayonnement thermique et d’un corps opaque
Comme en optique, la réflexion peut être diffuse (Φr dans toutes les directions), spéculaire (Φr dans la direction symétrique de Φi), ou quelconque.
Divers types de réflexions
La loi de Stefan-Boltzmann donne l'intensité du rayonnement (M en W/m²) en fonction de la température absolue T du corps :
σ = 5,6697.10 -8 Wm-2 .K-4, c'est la constante de Stefan
L'émissivité du corps, noté ε, révèle sa capacité à absorber et à émettre de l'énergie. Une surface noire et mate aura une forte émissivité et un faible coefficient de réflexion alors qu'une surface blanche et brillante aura le comportement opposé.
On remarque clairement au travers de cette relation que le rayonnement est proportionnel à la température du corps et à son émissivité. Ainsi dans la conception d'un radiateur ou d'un échangeur, la surface en contact avec le fluide doit être la plus mate et noire possible afin que le rayonnement soit meilleur. Dans ce cas précis, grâce au rayonnement on pourra obtenir un transfert thermique complémentaire à la convection.
Tableau du degré d’émissivité de quelques matériaux