4.5.3    Rayonnement thermique

Nous avons appris : le rayonnement thermique se constitue d’oscillations électromagnétiques à grandes ondes qui se produisent toujours quand, lors de collisions d’atomes, quelques-uns de leurs électrons sont temporairement projetés hors de leur orbite normale. Le rayonnement thermique est une forme d’oscillation électromagnétique. Comme un rayonnement électromagnétique, le rayonnement thermique, à l’instar de la lumière, obéit aux lois de l’optique, c’est-à-dire qu’il se propage en ligne droite, est réfléchi et peut facilement traverser certaines matières et d’autres pas. Le verre par exemple est pratiquement imperméable au rayonnement thermique (fig. 4-28).

fig. 4-28 Réflexion de rayons calorifiques sur une surface de verre

En tant qu’énergie électromagnétique, le rayonnement thermique n’a besoin d’aucun moyen de transmission solide. Au contraire, il se propage librement dans le vide ou dans une pièce remplie d’air (ex. : rayonnement solaire, lumière des ampoules électriques). Quand il frappe des particules solides ou liquides, il les excite thermiquement et perd alors de l’énergie lui-même. Des gaz simples tels que l’oxygène (O₂), le nitrogène (N₂) et l’hydrogène (H₂), ainsi que l’air sec et tous les gaz rares sont diathermiques, autrement dit, perméables au rayonnement thermique. De plus, les gaz qui ne peuvent pas absorber le rayonnement thermique ne peuvent pas en émettre non plus. Les gaz et vapeurs constitués de molécules comme la vapeur d’eau (H₂O), le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde de carbone (CO2), le dixoyde de soufre (SO2), l’ammoniaque (NH3), etc. absorbent et émettent le rayonnement dans certaines longueurs d’onde avec des intensités différentes. L’intensité du rayonnement est une fonction de la température du gaz (par ex., la flamme d’un brûleur à mazout ou à gaz).

D’autre part, les solides et les liquides émettent toujours du rayonnement thermique, et plus leur température est élevée, plus le rayonnement thermique est fort. L’énergie émise par une matière sous forme de rayonnement thermique augmente sa température absolue de surface à la puissance 4.

L’intensité (rendement) du rayonnement thermique émis à une température donnée n’est cependant pas la même pour toutes les matières. Cela dépend de la constante du rayonnement C. Pour les matières solides, cette constante dépend très fortement de la nature de la surface . 

Le tableau montre qu’un corps tout à fait noir émet le plus de rayonnement. Un corps poli d’un métal précieux et de taille identique émet lui par contre le moins. La couleur ne joue pas un si grand rôle. Si nous expérimentons la quantité de rayonnement émise par un corps et celle absorbée par un même corps de surface égale, nous obtiendrons la même valeur.

L’émission et l’absorption du rayonnement thermique sont donc en équilibre : une matière qui émet un faible rayonnement absorbe aussi faiblement les rayons et vice versa.

Il n’est toutefois pas si simple de calculer l’énergie thermique transférée d’un corps à un autre par rayonnement thermique. En effet, il faut prendre en compte l’angle d’incidence du rayonnement ainsi que la force et la fréquence de réflexion et le fait que les deux corps émettent et absorbent des rayons en même temps. Nous ne souhaitons pas entrer dans ces calculs, mais plutôt étudier quelques exemples de transfert de chaleur par rayonnement :

La spirale incandescente d’un four électrique émet un rayonnement intense surtout lorsque s’y ajoute l’effet d’un réflecteur. La chaleur cédée par convection est cependant insignifiante à cause de la petite surface de transfert de chaleur (spirale) (fig. 4-29).

fig. 4-29 Émission de chaleur des corps de chauffe électriques

Si nous pulsons de l’air sur la spirale incandescente avec un ventilateur, elle refroidit immédiatement parce que maintenant le grand nombre de particules d’air passant le long de la spirale évacue la chaleur par convection (transfert thermique avec flux forcé). Le rayonnement thermique diminue donc immédiatement : l’appareil à rayonnement devient un radiateur à convection électrique.

Certains corps de chauffe d’une installation de chauffage central à eau chaude sont considérés comme des radiateurs parce qu’ils cèdent à la pièce une grande partie de leur chaleur sous forme de rayonnement. Si le radiateur est couvert, le rayonnement est alors bloqué et le radiateur ne fonctionne plus que comme un convecteur (Fig 4-30).
Dans le cas de convecteurs, on essaie d’amener l’air en contact le plus étroit possible avec la surface de chauffe. Ceci permet d’atteindre un rendement élevé de transfert thermique par convection.

fig. 4-30 Émission de chaleur des radiateurs à eau chaude

Dans des installations de chauffage à rayonnement par plafond (à gauche de la Fig. 4-31) les tuyaux, faisant office de corps de chauffe, sont encastrés dans le plafond ou suspendus. Cela fournit une très grande surface de chauffe, mais la disposition horizontale du radiateur dans la partie la plus chaude de la pièce donne très peu de mouvement d’air. Le transfert thermique se produit donc presque exclusivement par rayonnement.

Fig.  4-31 Émission de chaleur dans un chauffage par plafond (gauche) et dans un chauffage par le sol (droite)

Dans la disposition contraire, c’est-à-dire dans les installations de chauffage par le sol (à droite de la Fig. 4-31), les conditions sont similaires. Ici, cependant, la part de chaleur cédée par convection est plus grande vu que l’air chauffé peut se déplacer vers le haut, contrairement au chauffage par le plafond où la chaleur, pour ainsi dire, « reste » sous le plafond.

Ces exemples nous montrent aussi que lorsqu’il y a transfert de chaleur d’une matière à une autre, la conduction thermique, la convection thermique et le rayonnement thermique agissent presque toujours ensemble :

La chaleur est une forme d’énergie difficile à maîtriser. Dès que nous essayons de chauffer une matière d’un côté, elle cède automatiquement une partie de la chaleur de l’autre côté par convection, rayonnement ou conduction thermique. Parfois, c’est en fait souhaitable, mais souvent cela n’est rien d’autre que de la perte de chaleur. Au sens strict, chauffer n’est rien de plus qu’une compensation permanente de pertes de chaleur.