1. Définition du transfert de chaleur par rayonnement
Comment se sent-on en portant des vêtements noirs par une chaude journée, ou en faisant du sport en plein jour ? Comparé à ce que l'on ressent en portant des vêtements blancs ? Si vous portez des vêtements noirs en journée, vous avez chaud. Pourquoi ? La distance entre le soleil et la Terre est presque la même le matin qu'en journée et le soir. Alors pourquoi fait-il plus frais le matin et le soir, et plus chaud en journée ? La réponse à ces questions est liée au transfert de chaleur par rayonnement.
Le transfert de chaleur par rayonnement est un transfert de chaleur sous forme d'ondes électromagnétiques. La chaleur ressentie par votre corps près d'un four et le transfert de chaleur du Soleil vers la Terre en sont des exemples. Le Soleil a une température plus élevée (environ 6 000 kelvins) que la Terre. Cette différence de température provoque un transfert de chaleur du Soleil (température plus élevée) vers la Terre (température plus basse). Si ce transfert de chaleur nécessite un milieu intermédiaire, comme c'est le cas pour la conduction et la convection, la chaleur ne peut atteindre la Terre ; elle doit traverser le vide (ou un milieu quasi vide). Sans la chaleur du Soleil, la vie sur Terre serait impossible, car elle a besoin de son énergie.
Un autre exemple de transfert de chaleur par rayonnement est la chaleur ressentie près d'une flamme. Cette chaleur n'est pas due à une surchauffe de l'air causée par la flamme. Comme expliqué précédemment, l'air chaud se dilate et sa densité diminue. Par conséquent, cet air moins dense se déplace verticalement vers le haut, et non horizontalement vers nous. Notre corps ressent une sensation de chaleur près de la flamme car la chaleur se propage par rayonnement de la flamme (température plus élevée) vers notre corps (température plus basse).
Le transfert de chaleur par rayonnement diffère légèrement de celui par conduction et convection. La conduction et la convection se produisent lorsque des objets présentant des différences de température entrent en contact. En revanche, le transfert de chaleur par rayonnement peut avoir lieu sans contact.
2. Équation du transfert de chaleur par rayonnement
Le taux de transfert thermique par rayonnement est proportionnel à la surface de l'objet et à sa température absolue (échelle Kelvin). Les objets ayant une surface plus grande transfèrent davantage de chaleur que ceux ayant une surface plus petite.
De même, les objets à une température de 2 000 kelvins, par exemple, ont un coefficient de transfert thermique 2⁴ = 16 fois supérieur à celui des objets à une température de 1 000 kelvins. Ce résultat a été découvert par Josef Stefan en 1879 et démontré théoriquement par Ludwig Boltzmann environ cinq ans plus tard.
Q = chaleur, t = temps, A = surface de l'objet (m² ) , T = température absolue de l'objet (K), ε = émissivité (nombre sans dimension compris entre 0 et 1), σ = 5.67 × 10⁻⁸ W/m².K⁴ ( constante universelle , également appelée constante de Stefan-Boltzmann), Q/t = flux thermique par rayonnement
Les objets à surface sombre (noirs) ont une émissivité proche de 1, tandis que les objets de couleur claire ont une émissivité proche de 0. Plus l'émissivité d'un objet est élevée (e tend vers 1), plus le flux de chaleur qu'il émet est important. Inversement, plus l'émissivité d'un objet est faible (e tend vers 0), plus le flux de chaleur émis est faible. On peut donc dire que les objets de couleur sombre (noirs) émettent généralement plus de chaleur que les objets de couleur claire (blancs).
L'émissivité détermine non seulement la capacité d'un objet à émettre de la chaleur, mais aussi sa capacité à absorber celle émise par d'autres objets. Les objets dont l'émissivité est proche de 1 (objets de couleur sombre) absorbent la quasi-totalité de la chaleur qu'ils reçoivent. Seule une petite partie est réfléchie. À l'inverse, les objets dont l'émissivité est proche de 0 (objets de couleur claire) absorbent peu de chaleur. La majeure partie de cette chaleur est réfléchie par l'objet. Un objet qui absorbe toute la chaleur qu'il reçoit a une émissivité égale à 1. Ce type d'objet est qualifié d'« objet noir ». L'expression « objet noir » ne signifie pas que l'objet est noir, mais qu'il absorbe toute la chaleur qu'il reçoit.
3. Le taux de chaleur émis par le soleil
D'après des calculs (conformes à la réalité), on a constaté qu'une quantité de chaleur de 1350 joules par seconde et par mètre carré est transmise du Soleil à la Terre. Par temps clair (sans nuages), cette quantité est de 1000 joules par seconde et par mètre carré. Par temps couvert (avec de nombreux nuages), environ 70 % de la chaleur est absorbée par l'atmosphère terrestre, et seulement 30 % atteint la surface de la Terre. La quantité de chaleur absorbée par l'atmosphère dépend de la couverture nuageuse. Cette quantité de chaleur de 1350 joules par seconde et par mètre carré est appelée constante solaire . Comme les joules par seconde (J/s) sont équivalents aux watts (W), on peut exprimer la constante solaire comme suit : 1350 watts par mètre carré = 1350 W/m².
Lorsque la chaleur émise par le soleil atteint la surface de la Terre, elle est absorbée par celle-ci et par les objets qui s'y trouvent. Le taux d'absorption dépend de l'émissivité (e) de l'objet, de sa surface et de l'angle formé par les rayons du soleil avec la perpendiculaire à sa surface.
Information:
Q/t = taux d'absorption de chaleur, 1000 W/m2 = constante solaire, e = émissivité de l'objet, A = surface de l'objet, θ = angle formé par la lumière solaire avec les lignes perpendiculaires à la surface de l'objet,
A cos θ = surface effective (surface composante des objets perpendiculaire à la lumière du soleil)
Durant la journée, les rayons du soleil sont parallèles ou coïncident avec une ligne perpendiculaire à la surface de la Terre (angle formé = 0).
La valeur inférieure de ε = 0 ° , par conséquent, le taux d'absorption de chaleur est :
Le taux d'absorption de chaleur (Q/t) est maximal lorsque l'angle formé par la lumière du soleil et la perpendiculaire à la surface de la Terre est égal à 0 ° (cos θ = 1). Généralement, cela se produit en journée, lorsque le soleil est perpendiculaire à la surface de la Terre. Il n'est donc pas surprenant que la lumière du jour soit plus chaude que le matin ou le soir. Le matin et le soir, l'angle formé est proche de 90 °.
Si l'angle formé est de 80 ° , alors le taux d'absorption de chaleur est :
Le taux d'absorption de chaleur (Q/t) est minimal le matin et le soir car cos θ est proche de zéro. Plus cos θ est petit, plus le taux d'absorption de chaleur est faible.
Au coucher du soleil à l'horizon ouest ou sur le point de se lever à l'horizon est, l'angle créé = 90 °.
Comme l'angle formé est de 90 ° , le taux d'absorption de chaleur est :
Taux d'absorption de chaleur (Q/t) au coucher du soleil ou sur le point de se lever = 0.
