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Fiche explicative de la leçon : Rayonnement infrarouge Physique

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire comment la température d’un objet et ses caractéristiques de surface influencent l’émission et l’absorption du rayonnement infrarouge par cet objet.

Le spectre électromagnétique est l’ensemble de tous les types de rayonnements électromagnétiques, plus communément appelés lumière. La nature de la lumière dépend de sa longueur d’onde, comme l’indique le tableau ci-dessous.

Dans cette fiche explicative nous allons nous concentrer sur le domaine situé entre la lumière visible et les micro-ondes, et le rayonnement infrarouge (appelé par la suite IR). La longueur d’onde de la lumière au début du domaine de l’IR correspond aux longueurs d’onde les plus basses de la lumière visible, correspondant à la couleur rouge. Ceci est approximativement de 700 nm et continue jusqu’au domaine des micro-ondes ayant des longueurs d’onde d’environ 1 mm.

Les IR possèdent des propriétés intéressantes en raison de leur interaction avec la chaleur. Lorsqu’un objet reçoit de la chaleur, c’est-à-dire, lorsqu’il est exposé à une température, il émet des IR. Cela signifie que tout objet que l’on peut voir émet de la lumière, mais avec des longueurs d’onde que l’homme ne peut pas déceler. Cette technologie est employée par les caméras de vision nocturne:elles sont capables de détecter les infrarouges dans le milieu environnant.

Plus un objet est chaud, plus il émet des IR, et plus cet objet est froid, moins il émet d’IR. Un objet n’émet aucun IR uniquement lorsqu’il n’a pas de température, au zéro absolu. Lorsque vous tenez votre main près d’une poêle chaude, la chaleur que vous ressentez provient d’une lumière invisible dans le spectre infrarouge, qui chauffe votre main.. Le schéma ci-dessous illustre cette même poêle placée dans une pièce sombre, comparant la lumière visible avec la lumière infrarouge émise. Plus les couleurs sont vives, plus il y a de lumière.

La poêle n’émet aucune lumière visible, seulement des infrarouges.

La vitesse à laquelle un objet est capable d’émettre des IR est liée à sa capacité à l’absorber. Les objets qui peuvent absorber les infrarouges et se réchauffer rapidement peuvent également les émettre rapidement. Lorsque la lumière interagit avec un objet, il ne s’agit pas seulement d’absorption. La lumière peut interagir de trois façons principales avec un objet, comme indiqué ci-dessous.

La réflexion se produit lorsque la lumière se réfléchit sur une surface, comme sur un miroir, ou sur une surface polie ou mouillée. Si une surface est réfléchissante, alors les IR rebondissent, rendant cette surface relativement plus froide. Elle est incapable d’absorber une grande quantité de lumière.

La transmission se produit lorsque la lumière passe à travers un objet, comme la lumière du soleil à travers une fenêtre. Si les IR passent à travers un objet, cela signifie qu’ils n’ont pas transféré efficacement leur chaleur.

L’absorption se produit lorsque la lumière est absorbée par l’objet, tout comme une peinture noire assombrit une pièce. Les objets absorbant plus de lumière, par conséquent mieux à même d’absorber et d’émettre des infrarouges et donc de la chaleur, ont des couleurs plus sombres.

Cela signifie que la couleur est un indicateur important de la quantité d’IR absorbée et émise.

Regardons un exemple.

Exemple 1: Rappel de l’influence de la couleur sur les propriétés d’absorption et d’émission thermique

Quelle est la couleur d’une surface qui permet d’émettre et d’absorber un rayonnement infrarouge;noire ou blanche?

  1. Blanche
  2. Noire

Réponse

Rappelons que pendant les jours ensoleillés, l’asphalte noir se réchauffe rapidement et devient très chaud, à tel point qu’il est inconfortable à toucher. Le trottoir, qui est fait de béton mais de couleur plus claire, est quant à lui, beaucoup plus supportable. L’asphalte plus foncé absorbe mieux les infrarouges de la lumière du soleil puis les émet.

De même, la nuit, l’asphalte est beaucoup plus froid que ses environs. Il émet très efficacement et rapidement ses IR, jusqu’à ce qu’il descende à une température plus basse.

Un objet émettant et absorbant mieux les IR aura tendance à être plus sombre qu’un objet de couleur plus claire, émettant et absorbant peu les IR. Porter du blanc par temps chaud peut vous procurer un peu plus de fraîcheur que du noir.

La bonne réponse est B, noire.

En plus de la couleur, le deuxième facteur influençant la quantité d’IR absorbée ou émise est la réflectivité d’une surface. Un matériau hautement réfléchissant ou brillant, tel que l’obsidienne découpée, absorbera et émettra peu les infrarouges, bien que sa couleur soit d’un noir profond.

À l’inverse, les surfaces rugueuses telles que le tissu réfléchissent peu les infrarouges, mais les absorbent efficacement. Elles les émettront également plus facilement, ce qui en fait un matériau idéal pour avoir un lit chaud.

regardons un exemple.

Exemple 2: Rayonnement thermique et réflectivité

Un objet qui est réfléchissant absorbe mieux le rayonnement infrarouge que s’il avait toute autre réflectivité. Un objet qui est réfléchissant émet davantage de rayonnement que s’il avait toute autre réflectivité.

  1. fortement, faiblement
  2. faiblement, faiblement
  3. faiblement, fortement
  4. fortement, fortement

Réponse

Un objet avec une forte réflectivité réfléchira plus d’IR, il devra donc être faiblement réfléchissant pour absorber plus d’IR.

Un objet avec une forte réflectivité ne sera pas capable d’émettre des infrarouges aussi bien qu’un objet faiblement réfléchissant.

La bonne réponse est B, faiblement, faiblement.

Le troisième facteur est la température d’un objet. La température n’influence pas l’absorption des infrarouges, mais plutôt leur émission. Tout objet dont la température est supérieure au zéro absolu émet des IR. Les objets plus chauds émettent plus d’IR, comme l’indique la lumière émise par les objets ci-après. Une couleur plus lumineuse signifie plus d’IR.

Les objets plus chauds émettent davantage d’IR qui ont par ailleurs des longueurs d’onde plus grandes. Par exemple, le graphique ci-dessous illustre l’intensité (quantité de lumière) représentée sur l’axe des 𝑦 en fonction de la longueur d’onde (type de lumière) représentée sur l’axe des 𝑥. Le même objet est représenté sur le graphique à trois températures différentes:A, B et C.

La température A est plus chaude que la température B, et la température B est plus chaude que la température C. Les infrarouges couvrent une large gamme de longueurs d’onde allant de 700 nm à 1 mm, ce qui signifie que des températures plus élevées émettent plus d’IR à diverses longueurs d’onde.

Le quatrième facteur influençant l’absorption et l’émission d’IR est l’aire de la surface. Plus simplement, les infrarouges ne peuvent être émis et absorbés qu’à la surface d’un objet:ce qui se trouve à l’intérieur de cet objet n’a pas d’importance. Ainsi, un objet plus grand est plus à même d’émettre des IR et présente également une plus grande aire permettant d’absorber les IR entrants.

Le schéma ci-dessus illustre un petit objet, un autre objet plus grand, puis un objet encore plus grand percé de plusieurs trous, tous ayant la même température. Les deux gros objets émettent et absorbent plus facilement les infrarouges que le plus petit objet, et l’objet qui a des trous sera encore plus performant du fait de sa plus grande surface due aux trous.

De nombreux reptiles ont des fioritures qui se dilatent et se contractent, ce qui leur permet de se réchauffer rapidement au soleil ou de se rafraîchir au besoin. À titre d’exemple extrême, le Dimetrodon, un animal aujourd’hui disparu, avait une énorme collerette qui lui permettait de se réchauffer ou de se refroidir très rapidement selon ses besoins, lui conférant ainsi un avantage sur les autres animaux lors de la période du Paléozoïque.

Exemple 3: Propriétés ayant un effet sur le rayonnement thermique

Laquelle des propriétés suivantes n’affecte pas directement la quantité de rayonnement infrarouge qu’un objet émet et absorbe?

  1. La réflectivité
  2. La couleur
  3. La température
  4. La surface
  5. La masse

Réponse

La réflectivité détermine la quantité d’IR émise et absorbée:un miroir réfléchit la lumière, c’est-à-dire qu’il la renvoie plutôt qu’il ne l’absorbe.

La couleur affecte également le rayonnement infrarouge. Une chemise blanche tiendra moins chaud en plein soleil qu’une chemise noire.

La température n’affecte pas l’absorption mais plutôt l’émission d’IR. Les objets plus chauds émettent plus d’IR.

Une surface plus grande signifie que plus d’IR sont reçus par l’objet en premier lieu, ce qui lui permet d’en absorber davantage. Les infrarouges ne sont également émis que par la surface d’un objet, ainsi une plus grande surface permet une émission d’IR plus élevée.

La masse d’un objet ne détermine pas la quantité d’IR absorbée ou émise. Si deux objets ont la même forme, couleur, température et réflectivité, ils émettront la même quantité d’IR. Le fait qu’un objet soit plus dense ou plus épais qu’un autre n’aura aucune conséquence.

La bonne réponse est donc E, la masse.

Maintenant que nous connaissons les facteurs qui ont un effet sur l’absorption et l’émission des infrarouges, nous pouvons nous intéresser aux objets de la vie quotidienne dans divers environnements et, de manière générale, déterminer leur capacité d’absorption ou d’émission d’IR.

Un tissu rugueux et de couleur foncée, tel que de la laine sombre, absorbera et émettra les IR mieux qu’un tissu de couleur plus claire et plus lisse comme le nylon. L’intérieur réfléchissant d’un thermos n’absorbera pas beaucoup d’IR, gardant la chaleur dans le liquide au lieu de la transférer à l’extérieur du récipient.

Regardons quelques exemples.

Exemple 4: Rayonnement thermique d’une bouteille d’eau

Une bouteille contenant de l’eau est placée en plein soleil et absorbe les rayons infrarouges. Alors que la bouteille est exposée au soleil, la température de l’eau reste constante. Laquelle des affirmations suivantes est correcte?

  1. L’eau absorbe plus d’énergie du rayonnement infrarouge qu’elle ne perd d’énergie en refroidissant.
  2. L’eau ne reçoit aucune énergie de la lumière du soleil.
  3. L’eau perd plus d’énergie par refroidissement qu’elle n’absorbe d’énergie du rayonnement infrarouge.
  4. L’eau perd exactement autant d’énergie par refroidissement qu’elle en absorbe du rayonnement infrarouge.
  5. L’absorption et l’émission de rayons infrarouges n’ont aucun effet sur la température.

Réponse

Si l’eau a absorbé plus d’énergie du rayonnement qu’elle n’en a perdu lors du refroidissement, elle va alors se réchauffer, mais dans cet exemple, sa température reste constante. Ce n’est donc pas la réponse A.

L’eau absorbe le rayonnement infrarouge, elle reçoit donc de l’énergie de la lumière du soleil;ce n’est donc pas la réponse B.

Si l’eau perd plus d’énergie par refroidissement qu’elle n’en reçoit depuis la lumière du soleil, elle se refroidira, mais dans cet exemple, sa température reste constante. Ce n’est donc pas la réponse C.

L’absorption et l’émission de rayons infrarouges ont certainement un effet sur la température, donc ce n’est pas la réponse E.

Pour que la température de la bouteille d’eau reste constante, bien qu’elle reçoive continuellement de l’énergie du soleil, elle doit se refroidir au même rythme qu’elle absorbe les IR. La bonne réponse est donc D.

Exemple 5: Rayonnement thermique d’un cube en plastique

Un cube en plastique est placé en plein soleil et absorbe le rayonnement infrarouge. Lors de l’exposition du cube à la lumière du soleil, sa température diminue. Laquelle des affirmations suivantes est correcte?

  1. Le plastique ne reçoit aucune énergie de la lumière du soleil.
  2. L’absorption et l’émission de rayons infrarouges n’ont aucun effet sur la température.
  3. Le plastique perd exactement autant d’énergie par refroidissement que l’énergie du rayonnement infrarouge qu’il absorbe.
  4. Le plastique perd plus d’énergie par refroidissement que l’énergie du rayonnement infrarouge qu’il absorbe.
  5. Le plastique absorbe plus d’énergie du rayonnement infrarouge que l’énergie qu’il perd en refroidissant.

Réponse

Le plastique reçoit de l’énergie de la lumière du soleil, car l’énoncé nous dit qu’il absorbe les IR, donc ce n’est pas la réponse A.

L’absorption et l’émission d’IR ont un effet sur la température, donc ce n’est pas la réponse B.

Si le bloc de plastique perd autant d’énergie par refroidissement que l’énergie qu’il a absorbée, alors sa température restera constante, mais dans notre cas, l’énoncé nous dit qu’elle diminue. Ce n’est donc pas la réponse C.

Si le plastique absorbe plus d’énergie des IR qu’il n’en perd, alors sa température augmentarait;mais on nous dit ici qu’elle diminue, donc ce n’est pas la réponse E.

La température du bloc diminue, donc il doit perdre plus d’énergie qu’il n’en gagne. Comme il ne l’obtient que par l’absorption d’IR, il doit perdre plus d’énergie par refroidissement qu’il n’en reçoit par absorption d’IR. Donc, la bonne réponse est la réponse D.

Ci-après un résumé de ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.

Points clés

  • Le rayonnement infrarouge (IR) est une lumière de longueur d’onde comprise entre 700 nm et 1 mm.
  • Le rayonnement IR est la cause de la chaleur relayée par les objets chauds.
  • Tous les objets ayant une température supérieure au zéro absolu émettent des IR.
  • Les facteurs ayant un effet sur l’absorption et l’émission des infrarouges sont la couleur, la réflectivité, la température et l’aire de la surface.

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