Le rayonnement thermique est une forme d’énergie thermique fondamentale en physique et en science des matériaux. Cela passe souvent inaperçu dans notre vie quotidienne, mais 49 % de l’énergie qui nous parvient du Soleil le fait sous forme de rayonnement thermique.
Ce type d’énergie est responsable du maintien de la chaleur sur notre planète, de la cuisson de nos aliments et du fonctionnement de nombreuses technologies que nous utilisons quotidiennement.
Dans cet article, nous expliquerons ce qu'est le rayonnement thermique, son fonctionnement, ses applications et son importance dans le monde moderne.
Qu'est-ce que le rayonnement thermique ?
Le rayonnement thermique, également appelé rayonnement thermique ou rayonnement infrarouge, est le processus par lequel un objet émet de l'énergie sous forme d'ondes électromagnétiques en raison de sa température.
Contrairement à la conduction thermique et à la convection thermique, le rayonnement thermique ne nécessite pas de milieu matériel pour se propager. En d’autres termes, le rayonnement thermique peut traverser le vide de l’espace.
Tous les objets émettent un rayonnement thermique
Pour comprendre ce phénomène, il est essentiel de rappeler que tous les objets émettent un rayonnement thermique dès qu’ils ont une température supérieure au zéro absolu, qui est la température la plus basse possible (-273,15 degrés Celsius ou 0 Kelvin).
Le spectre électromagnétique
Le spectre électromagnétique englobe toutes les formes de rayonnement électromagnétique, des ondes radio jusqu'aux rayons gamma. Le rayonnement thermique se trouve dans la région infrarouge du spectre, qui se situe entre les micro-ondes et la lumière visible.
Même si nous ne pouvons pas voir directement le rayonnement thermique, nous pouvons le détecter et l’utiliser dans de nombreuses applications.
Loi de Stefan-Boltzmann : relation entre température et rayonnement
Le rayonnement thermique est le résultat de l'agitation des particules au sein d'un objet en raison de sa température. Plus un objet est chaud, plus ses particules auront d’énergie cinétique et donc plus il émettra de rayonnement thermique.
La loi de Stefan-Boltzmann décrit la relation entre la température d'un objet et la quantité totale d'énergie rayonnée par unité de surface. Cette loi établit que l'énergie rayonnée par unité de surface est directement proportionnelle à la puissance quatre de la température absolue de l'objet, selon l'équation suivante :
E = σ⋅T 4
Où:
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E est l'énergie rayonnée par unité de surface (en watts par mètre carré, W/m²).
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σ est la constante de Stefan-Boltzmann (5,67×10−8 W/(m²·K⁴)).
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T est la température absolue de l'objet en kelvins (K).
Cette équation montre qu’à des températures plus élevées, la quantité d’énergie rayonnée est nettement plus grande.
Exemples de rayonnement thermique
Le rayonnement thermique a un large éventail d'applications dans la vie quotidienne ainsi que dans les domaines scientifiques et technologiques.
Voici quelques exemples de ses applications les plus notables :
Chauffage et cuisine
Le rayonnement thermique est essentiel dans les appareils tels que les fours et les micro-ondes, où il est utilisé pour réchauffer les aliments. Les éléments chauffants émettent un rayonnement infrarouge qui chauffe directement les objets et les aliments, accélérant ainsi le processus de cuisson.
Énergie solaire
Le rayonnement thermique du Soleil est la principale source d'énergie de notre planète. Les panneaux solaires thermiques profitent de ce rayonnement pour chauffer l’eau et produire de l’électricité, notamment dans les grandes centrales solaires thermiques.
Caméras thermiques
Les caméras thermiques utilisent le rayonnement infrarouge pour détecter les différences de température dans les objets et les organismes vivants.
Ces caméras ont des applications dans des domaines tels que la recherche et le sauvetage, la sécurité et la médecine.
Climatisation et réfrigération
Les systèmes de CVC et de réfrigération utilisent le rayonnement thermique en combinaison avec d'autres processus pour contrôler la température dans les bâtiments, les véhicules et les appareils électroniques.
Sciences spatiales
Dans l'exploration spatiale, le rayonnement thermique est une préoccupation majeure. Les matériaux aérospatiaux sont conçus pour résister aux conditions extrêmes de l’espace, notamment l’exposition à un rayonnement solaire intense et le dégagement contrôlé de chaleur générée par les équipements.
Énergie géothermique
L'énergie géothermique exploite la chaleur interne de la Terre pour produire de l'électricité et assurer le chauffage. Dans les régions géothermiques actives, comme l’Islande, ce type d’énergie est particulièrement précieux.
Rayonnement thermique dans une centrale nucléaire
Une centrale nucléaire émet un rayonnement thermique lorsqu'une fission nucléaire a lieu dans le cœur du réacteur. Au cours de ce processus, les noyaux atomiques d’uranium se divisent en éléments chimiques plus petits, libérant une immense quantité d’énergie sous forme de chaleur.
Cette énergie thermique résultante provoque une augmentation significative de la température du cœur du réacteur. À mesure que la température du cœur augmente, un rayonnement thermique est émis sous forme de rayonnement infrarouge, invisible à l’œil humain mais qui est une manifestation directe de la température élevée à l’intérieur du réacteur.
Ce rayonnement thermique fait partie intégrante du fonctionnement d'une centrale nucléaire et est utilisé comme source de chaleur pour chauffer l'eau et produire la vapeur qui entraîne les turbines qui produisent de l'électricité.
Le rayonnement thermique est une étape intermédiaire dans la conversion de l’énergie nucléaire en énergie électrique, et son contrôle précis est essentiel pour garantir le fonctionnement sûr et efficace de la centrale nucléaire.
