Rayonnement thermique

Le rayonnement thermique est un rayonnement électromagnétique qui est produit spontanément par n'importe quelle matière à partir du moment où sa température est plus chaude que le zéro absolu.

Variation du rayonnement en fonction de la température

Lorsqu'une matière est extrêmement froide, à quelques millièmes de degré du zéro absolu, elle émet seulement des ondes radio.

Mais plus la matière est chaude, plus elle émet des rayonnement dans les courtes longueurs d'onde.

À des températures compatibles avec la vie (autour de 20 °C, mais entre −10 °C et 40 °C les longueurs d'onde du rayonnement ne changent pas beaucoup, la matière émet surtout dans l'infrarouge moyen.

Si on chauffe la matière à quelques centaines de °C, on commence à la voir rougir. Puis en chauffant encore plus, la matière devient de plus en plus lumineuse et sa couleur passe à l'orange. En chauffant encore plus, la lumière devient blanche tout en restant légèrement orangée.

Si on pouvait chauffer encore plus, la lumière tout en restant blanche deviendrait légèrement jaune, puis verte, puis bleue, puis enfin violette avec une forte augmentation de l'intensité lumineuse avec la température. Mais aux températures qu'il faudrait atteindre, il n'existe que des gaz.

Longueurs d'onde du rayonnement en fonction de la température

Le spectre électromagnétique avec les longueur d'ondes. La lumière visible est entre 0,4 et 0,7 µm environ. Les courtes longueurs d'ondes (hautes fréquences) sont à droite. Plus la température est élevée, plus la fréquence à laquelle l'énergie émise est maximale augmente (et donc plus la longueur d'onde diminue).

L'énergie émise à différentes longueurs d'onde en fonction de la température. Les courtes longueurs d'ondes (hautes fréquences) sont à gauche.

Au fur et à mesure que la température augmente, non seulement il y a de plus en plus d'émission de rayonnement de fréquence élevée (dans les courtes longueurs d'onde) mais la fréquence pour laquelle l'émission est la plus forte est proportionnelle à la température, ce qui fait que la longueur d'onde correspondante est divisée par 2 chaque fois que la température (mesurée en Kelvin) double.

Si la longueur d'onde est exprimée en mètres et la température en Kelvin, on a :

$\lambda _{\max }={\frac {2,89777291\times 10^{-3}}{T}}$

En arrondissant le numérateur à $2,9\times 10^{-3}$ ce qui donnera le résultat de la formule précédente à 0,073 % près (différence négligeable) et en calculant la longueur d'onde en micron (µm = millionième de mètre), le calcul devient très simple :

$\lambda _{\max }={\frac {2900}{T}}$

Si on préfère faire le calcul avec la température en degrés Celsius, il faut rajouter une conversion :

$\lambda _{\max }={\frac {2900}{T+273,15}}$

La lumière visible s'étendant entre 0,7 µm pour le rouge et 0,4 µm pour le violet, il faut que la température soit comprise entre 4 143 K et 7 250 K soit environ entre 3 870 °C et 7 000 °C. Le mieux est une température entre 5 000 °C et 5 500 °C pour que le maximum d'émission soit au milieu du spectre visible. Mais à ces températures, et même à 3 870 °C, il n'existe pas de matière solide. C'est la raison pour laquelle, lorsqu'elles étaient utilisées pour l'éclairage, les lampes à incandescence, dont le filament était moins chauffé, émettaient beaucoup plus d'infrarouge que de lumière visible.

Puissance du rayonnement en fonction de la température

Graphe de l'énergie totale émise en fonction de la température

D'après la loi de Stefan-Boltzmann, la puissance du rayonnement émise par unité de surface est proportionnelle à la quatrième puissance de sa température exprimée en Kelvin.

Par exemple, si on chauffe un bloc de matière à 1 000 K (c'est à dire 727 °C) et qu'avec cette quantité de matière, l'énergie du rayonnement émise est de 1 000 W, alors, en chauffant ce bloc de matière à la température double, soit 2 000 K = 1 727 °C, l'énergie du rayonnement émise sera 2⁴ = 16 fois plus forte, soit 16 000 W

Inversement, si on ne chauffe ce bloc de matière qu'à 500 K = 227 °C, la moitié de 1 000 K, alors l'énergie du rayonnement émise sera 2⁴ = 16 fois plus faible, soit seulement 62,5 W.

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