Concept de corps noir

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Dans cet article, nous étudierons le concept de corps noir et sa réalisation en pratique.

Corps parfaitement noir :

Un corps qui absorbe toute la chaleur rayonnante qui lui est incidente est appelé corps parfaitement noir. Ainsi, le coefficient d’absorption d’un corps parfaitement noir est égal à 1. En fait, la noirceur d’un tel corps est due au fait qu’il ne reflète ni ne transmet aucune partie de la chaleur incidente sur lui.

Aucun corps n’existe dans la nature, qui puisse être appelé un corps parfaitement noir. A des fins pratiques, la lampe noire qui absorbe près de 98 % de la chaleur incidente sur elle estconsidérée comme un corps parfaitement noir.

Caractéristiques du corps parfaitement noir:

• Un corps parfaitement noir qui absorbe toute la chaleur rayonnante incidente sur lui.
• Le coefficient d’absorption pour lui est égal à 1.
• La noirceur d’un tel corps est due au fait qu’il ne réfléchit ni ne transmet aucune partie de la chaleur incidente sur lui. Ainsi, le coefficient de réflexion et le coefficient de transmission sont nuls.

Le corps noir de Ferry:

Un corps quiabsorbe toute la chaleur radiante qui lui est incidente est appelé corps parfaitement noir.

• Construction : On peut le construire artificiellement en prenant une sphère métallique creuse à double paroi comportant un petit trou. La surface intérieure de la sphère est recouverte de noir de lampe et elle présente une projection conique sur le côté opposé du trou.
• Fonctionnement : Le rayonnement entrant dans la sphère par ce trou subit de multiples réflexions. Lors de chaque réflexion, environ 98% de la chaleur radiante incidente est absorbée par la sphère. Par conséquent, le rayonnement est complètement absorbé par la sphère en quelques réflexions. De cette façon, la sphère agit comme un corps parfaitement noir dont la surface effective est égale à la surface du trou.

Spectre d’un corps noir:

Un corps noir émet des radiations de toutes les longueurs d’onde possibles de zéro à l’infini. Ces radiations sont de nature électromagnétique. Ces radiations ne dépendent pas de la nature de la surface du corps noir mais dépendent uniquement de sa température absolue. Les radiations du corps noir s’étendent sur toute la gamme de longueurs d’onde des ondes électromagnétiques. La distribution de l’énergie sur toute cette gamme de longueur d’onde ou de fréquence est connue sous le nom de spectre de rayonnement du corps noir.

Uninstrument sensible appelé bolomètre est utilisé pour trouver la densité d’énergie entre les longueurs d’onde λ et λ + dλ, En faisant tourner le prisme de l’instrumentcette densité d’énergie est trouvée pour toute la gamme de longueurs d’onde à une température élevée constante du corps parfaitement noir.

Représentation graphique:

Caractéristiques du spectre d’un corps noir:

• La puissance émissive d’un corps parfaitement noir augmente avec l’augmentation de sa température pour chaque longueur d’onde.
• Chaque courbe a une forme caractéristique et chacune d’elles a un maxima c’est-à-dire une puissance émissive maximale correspondant à une certaine longueur d’onde.
• La position des maxima se déplace vers la région ultraviolette (longueur d’onde plus courte) avec une augmentation de la température.
• λm T = Constante (loi de déplacement de Wien)
• L’aire sous chaque courbe donne la puissance radiante totale par unité de surface du corps noir à cette température et elle est directement proportionnelle à T4 (Vérification de la loi de Stefan)

La loi de déplacement de Wien:

Pour un corps noir, le produit de sa température absolue et de la longueur d’onde correspondantau rayonnement maximal d’énergie est constant.

Donc, λm T = Constante

La valeur de la constante de la loi de déplacement de Wien est2,898 x 10-3 mK.

Signification de la loi de déplacement de Wien:

• Cette loi peut être utilisée pour surfacer la température des étoiles. C’est la seule méthode pour déterminer la température des corps célestes.
• Elle explique le changement de couleur d’un solide lors de son chauffage, du rouge terne (plus grande longueur d’onde) au jaune (plus courte longueur d’onde)au blanc (toutes les longueurs d’onde du spectre visible).

Correction simple du rayonnement:

La chaleur spécifique d’un solide ou d’un liquide est déterminée par la méthode des mélanges. Le solide est chauffé à une température élevée. On le laisse tomber dans un calorimètre contenant de l’eau (ou un liquide) à température ambiante. Enfin, on note la température maximale du mélange. Maintenant que la température du mélange commence à augmenter, le mélange commence à perdre de la chaleur par conduction et rayonnement. La perte de chaleur par conduction peut être minimisée en entourant le mélange d’un mauvais conducteur de chaleur tel que du coton, de la laine, etc. Cependant, la perte de chaleur par rayonnement ne peut être arrêtée.

C’est pourquoi la température maximale du mélange est toujours inférieure à la température qu’il atteindrait en l’absence de rayonnement. Cette correction à apporter à la température finale du mélange est appelée correction de rayonnement.

Méthode d’application de la correction de rayonnement :

Un chronomètre est déclenché au moment où le solide est lâché dans le liquide et le temps t mis par le mélange pour atteindre la température maximale est θ noté.

On laisse ensuite refroidir le mélange pendant le temps t / 2. Soit ‘θ’ la température du mélange après le temps t / 2.

Alors,correction du rayonnement = Δθ = ½ (θ – θ )

Température maximale corrigée du mélange = θ + Δθ

Effet de serre:

La surface de la Terre absorbe l’énergie thermique du soleil et devient une source de rayonnement thermique. La longueur d’onde de ce rayonnement se situe dans la région infrarouge. Une grande partie du rayonnement est absorbée par les gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone, le méthane, le protoxyde d’azote, les chlorofluorocarbones, l’ozone de la troposphère. En raison de quoi l’atmosphère de la terre se réchauffe et l’atmosphère donne plus d’énergie à la terre résultant en une surface plus chaude.

Le processus ci-dessus se répète jusqu’à ce qu’aucune radiation ne soit disponible pour l’absorption. Ce réchauffement de la surface et de l’atmosphère de la terre est appelé l’effet de serre. L’importance de l’effet de serre est qu’il maintient la terre plus chaude, ce qui conduit à la biodiversité. En l’absence de cet effet, la température de la terre serait de -18° C.

Mais en raison des activités humaines, les quantités de gaz à effet de serre augmentent rapidement rendant la terre plus chaude. Cette augmentation peut perturber la vie des plantes et des animaux. Elle peut entraîner la fonte de la glace dans les régions polaires, ce qui peut conduire à une élévation du niveau de la mer submergeant les régions côtières.

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