Physionomie des rayonnements : tout savoir

Vous cherchez à bien chauffer votre maison ? Tenez compte de son architecture et de son isolation. Cela vous permettra de réfléchir au mode de transfert thermique à privilégier. Dans cette optique, vous pouvez choisir le rayonnement. Il est à la base de nombreux appareils tels que les poêles à bois, les panneaux solaires, ou les radiateurs radiants. Découvrez toutes les facettes de ce phénomène physique, dans une exploration qui vous conduira du chauffage domestique à l’industrie du nucléaire.

Le rayonnement peut se définir en deux temps. Le premier est l’émission d’énergie par une source, quelle qu’elle soit. Le second est la propagation de cette énergie depuis la source. Cette propagation a la particularité de s’effectuer sans support matériel. C’est ce qui distingue précisément les rayonnements des autres moyens de transfert d’énergie. Ils peuvent se classer selon leur type :

Le rayonnement thermique est l’un des trois modes de propagation de chaleur. Il est très exploité dans de nombreuses applications modernes. Faisant partie des rayonnements ondulatoires, il appartient au sous-ensemble des rayonnements électromagnétiques non ionisants. Il prend forme lorsque la température d’un corps est supérieure au zéro absolu.

Tout objet dont la température est supérieure à – 273,15°C (zéro absolu) émet ces rayonnements thermiques. De point de vue de leurs caractéristiques, ils correspondent à l’émission d’énergie depuis une source passive ou active. Cette émission d’énergie s’effectue par le biais d’ondes électromagnétiques.

Le transfert de chaleur par ondes électromagnétiques est décrit par plusieurs lois physiques. la loi de Planck décrit justement la distribution d’énergie selon la longueur d’onde. La loi de Stefan-Boltzmann s’attache à la puissance émise par un corps noir. La loi de Wien explicite le phénomène de réduction de la longueur d’onde lié à l’augmentation de la température.

Nous l’avons précisé, la plupart des rayonnements thermiques sont ondulatoires. Cela signifie qu’ils se composent d’ondes de longueur différente. Le spectre ondulatoire s’étend de l’infrarouge à l’ultraviolet, en passant par la lumière visible. Le tableau suivant récapitule les différentes longueurs d’onde.

La chaleur ressentie près d’un feu est l’exemple type de rayons thermiques. Il s’agit d’ailleurs principalement du spectre infrarouge. Le corps humain émet lui aussi de la chaleur, dans le spectre infrarouge. La lumière visible des anciennes ampoules à incandescence (spectre visible) émet également de la chaleur. La lumière du soleil émet également de la chaleur. Le spectre appartient à la fois au domaine du visible et au domaine de l’ultraviolet.

Parmi les rayonnements électromagnétiques non ionisants se trouvent d’autres types de rayons. Leur longueur d’onde est plus grande que celle des rayons thermiques précédemment décrits. Le tableau suivant fournit des exemples de sources de températures plus basses.

Invisibles, leur longueur d’onde est inférieure à celle des ultraviolets et commence dans le spectre UVA. En revanche, leur température est très élevée, et leur passage dans les organismes vivants peut générer des lésions irréversibles. Explorons rapidement ces rayons électromagnétiques ionisants.

Ces rayons appartiennent à la grande famille des rayonnements électromagnétiques. Qualifiés de rayons à haute énergie, ils ont la capacité d’ioniser la matière soumise à leur exposition. Les rayons X et les rayons gamma sont les plus connus.

Ces rayons ont pour effet d’arracher des électrons aux atomes et aux molécules qu’ils traversent. Ils sont par exemple produits naturellement par la radioactivité d’atomes d’uranium ou de plutonium. Ils sont dits “indirectement ionisants”.

Les rayons ionisants sont de même nature que les rayons visibles de la lumière ou que les rayons invisibles. Ils se caractérisent par une longueur d’onde (fréquence) et une température émise. Récapitulons ces principaux aspects physiques dans un tableau.

La radioactivité caractérise l’émission d’ondes électromagnétiques ultracourtes. Elle peut provenir de sources naturelles (rayons cosmiques, matières radioactives) ou de sources artificielles (appareils de radio dans la santé, centrale nucléaire).

Les rayons électromagnétiques proviennent de l’agitation de particules dans la matière source. Il peut s’agir d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz. Le spectre des longueurs d’onde varie des ondes radio aux rayons gamma. Mais au-delà des rayons gamma, les rayonnements se composent de particules. Pour l’ensemble du phénomène, la science parle d’émission de photons.

Constitutifs des rayonnements thermiques, ces photons ont deux aspects. Ils peuvent être vus comme des ondes ou comme des particules. Les rayonnements corpusculaires (particules) concernent essentiellement les rayons directement ionisants. Ceux-ci ne se composent de protons, positrons, électrons ou de muons.

Concrètement, et pour remettre les pieds sur terre, la science appliquée a mis les rayonnements thermiques au service du confort. La liste suivante fournit des applications modernes :

La maîtrise des rayonnements thermiques joue un rôle majeur dans l’isolation des logements. L’utilisation de matériaux réfléchissants réduit notamment les pertes de chaleur. Des fenêtres à faible émissivité limitent également les ponts thermiques tout en laissant passer la lumière du soleil.

Dans les bâtiments intelligents, leur contrôle est au cœur des stratégies d’amélioration des performances énergétiques. L’installation de “mur trombe” permet de capter les rayons solaires et de stocker la chaleur. Les peintures “cool roof” permettent de lutter contre les rayons du soleil en été et de limiter l’usage des la climatisation.

Les rayonnements peuvent être ondulatoires ou corpusculaires (composés de particules). Pour évoquer l’ensemble du phénomène, la science évoque l’émission de photons. Les rayonnements qui transportent la chaleur n’en représentent qu’une petite partie. Ils permettent toutefois le développement d’appareils de chauffage et de sources d’énergies renouvelables. L’énergie nucléaire exploite également les rayonnements.

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