Transfert Par Rayonnement
Transfert Par Rayonnement
Transfert Par Rayonnement
Cours de
Transfert thermique
Sommaire :
Chapitre 1: Introduction
Chapitre 2: Transfert de chaleur par conduction et équation de
diffusion thermique
Chapitre 3: Transfert de chaleur par convection
Chapitre 4: Transfert de chaleur par rayonnement
Chapitre 4 : Transfert de chaleur par rayonnement
Chapitre 4 : Transfert de chaleur par rayonnement
I – Généralités, Définitions
I.1. Nature du rayonnement
Tous les corps, quelque soit leur état : solide, liquide ou gazeux, émettent un
rayonnement de nature électromagnétique. Cette émission d’énergie s’effectue au
détriment de l’énergie interne du corps émetteur. Le rayonnement se propage de
manière rectiligne à la vitesse de la lumière, il est constitué de radiations de différentes
longueurs d’onde comme l’a démontré l’expérience deWilliam Herschel :
1m = 10 m−6
log10 (10−6 ) = −6
Figure 4.2 : Spectre des ondes électromagnétiques (λ en m)
I – Généralités, Définitions
I.2. Définitions
Milieu transparent
Emetteur Récepteur
Rayonnement
où C est la vitesse de propagation des ondes dans le milieu considéré. Dans le vide
ou dans l’air sec, C est la vitesse de la lumière et vaut 3.108 [m.s-1].
d = d 2 et = d = d x
S
I – Généralités, Définitions
Rappel sur les angles solides élémentaires
En mathématiques, en géométrie et en physique, un angle solide est
l'analogue tridimensionnel de l’angle plan.
L’angle plan est le rapport de la longueur de l'arc sur le rayon.
L'angle solide est dans l'espace le rapport de la surface d'une partie d'une
sphère sur le rayon au carré. Son unité est le stéradian noté sr.
On le note souvent Ω.
Il mesure la surface sur laquelle un objet se projette radialement sur une
sphère de rayon unité.
ῼ
S
= 2 Rayon 1
R
Rayon R
La notion d'angle solide intervient en
particulier dans la définition de la luminosité.
Rappel sur les angles solides élémentaires
0 = 4
Rayon = 1
0 = 2
11/05/2020 13
I – Généralités, Définitions
I.3. Définitions relatives aux sources
Emittance énergétique
- Monochromatique :
Un élément de surface dS émet un certain flux d’énergie par rayonnement dans
toutes les directions du ½ espace. Ce flux est réparti sur un intervalle de longueurs
d’ondes. Si l’on considère le flux d’énergie d + d émis entre les deux longueurs
d’ondes λ et λ+dλ, on définit l’émittance monochromatique d’une source à la
température T par : d + d
M T =
dS d
- Totale :
C’est la densité de flux de chaleur émise par rayonnement par dS sur tout le spectre des
longueurs d’ondes. Elle n’est plus fonction que de la température T et de la nature de la
source : = d
M T = =0 M T d =
dS
I – Généralités, Définitions
I.3. Définitions relatives aux sources
Intensité énergétique dans une direction
On appelle intensité énergétique Ix le flux par unité d’angle solide émis par une
d 2 X
surface dS dans un angle solide dΩ entourant la direction Ox : I X = (1.1)
d
Luminance énergétique dans une direction
Soit α l’angle fait par la normale à la surface émettrice S avec la direction Ox. La
projection de dS sur le plan perpendiculaire à Ox définit la surface émettrice
apparente dSx = dS cos(α). L’intensité énergétique élémentaire Ix dans la direction
Ox par unité de surface émettrice apparente dSx s’appelle la luminance énergétique
Lx. En partant de la relation (1.1) :
IX IX d 2 X
LX = = =
dS X dS cos d dS cos
Figure 4.3 : Schéma de définition des angles
I – Généralités, Définitions
I.3. Définitions relatives aux sources
Application : Formule de Bouguer
On déduit des définitions précédentes l’expression du flux d2x envoyé par un élément
dSi de luminance Lx sur un autre élément dSk :
d 2 X = I X d = LX dSi cos i d
Où : dΩ est l’angle solide sous lequel on voit la surface dSk depuis la surface dSi donc
r2 r2
formule de Bouguer
I – Généralités, Définitions
I.4. Définitions relatives à un récepteur
Eclairement
C’est l’homologue de l’émittance pour une source. L’éclairement est le flux reçu
par unité de surface réceptrice, en provenance de l’ensemble des directions.
Réception du rayonnement par un solide
Quand un rayon incident d’énergie frappe un corps à la température T,
une partie T de l’énergie incidente est réfléchie par la surface S,
une autre partie T est absorbée par le corps qui s’échauffe
et le reste T est transmis et continue son chemin :
On a évidemment :
= T + T + T
D’où: T + T + T = 1
I – Généralités, Définitions
I.4. Définitions relatives à un récepteur
Réception du rayonnement par un solide
On définit ainsi les pouvoirs monochromatiques réfléchissant T , absorbant T et
filtrant T qui sont fonction de la nature du corps, de son épaisseur, de sa
température T, de la longueur d’onde λ du rayonnement incident et de l’angle
d’incidence.
Si l’on considère l’énergie incidente sur tout le spectre des longueurs d’onde, on
obtient les pouvoirs réfléchissants T , absorbant T et filtrant T totaux.
I – Généralités, Définitions
I.5. Corps noir, corps gris
Corps noir
C’est un corps qui absorbe toutes les radiations qu’il reçoit indépendamment de son
épaisseur, de sa température, de l’angle d’incidence et de la longueur d’onde du
rayonnement incident, il est défini par: T = 1
Une surface enduite de noir de fumée est approximativement un corps noir.
Propriétés du corps noir :
- Tous les corps noirs rayonnent de la même manière.
- Le corps noir rayonne plus que le corps non noir à la même température.
I – Généralités, Définitions
I.5. Corps noir, corps gris
Corps gris
Un corps gris est un corps dont le pouvoir absorbant T est indépendant de la
longueur d’onde λ du rayonnement qu’il reçoit. Il est défini par: T = T .
En général, on considère les corps solides comme des corps gris par intervalle et on
utilise un pouvoir absorbant moyen vis-à-vis du rayonnement émis pour λ<3µm
(rayonnement émis par des corps à haute
température comme le Soleil) et un pouvoir
absorbant moyen vis-à-vis du rayonnement émis
pour λ>3µm (rayonnement émis par les corps à
faible température : atmosphère, absorbeur
solaire,...). On pourra à titre d’exemple
considérer les valeurs suivantes pour la peinture
blanche : Représentation simplifiée du pouvoir absorbant
monochromatique de la peinture blanche.
II- Lois du rayonnement
2.1 Loi de Lambert
Soit : M = L
II- Lois du rayonnement
2.2 Lois physique
2.2.1 Loi de Kirchoff
M T
A une température T donnée et pour une longueur d’onde λ donnée, le rapport
est le même pour tous les corps. T
= = =
MT = M d =
T T MoT d = T Mo d
T
=0 =0 =0
L’émittance totale MT d’un corps gris à la température T est égal au produit de son
pouvoir absorbant αT par l’émittance totale MoT du corps noir à la même température.
II- Lois du rayonnement
2.2 Lois physique
2.2.2 Rayonnement du corps noir
Emittance monochromatique: elle est donnée par la loi de Planck :
C1 −5
MoT =
C2
exp −1
T
Avec:
C1 = 3,742 10−16 W / m 2
C2 = 1,4385 10−2 mK
II- Lois du rayonnement
2.2 Lois physique
2.2.2 Rayonnement du corps noir
La loi de Planck permet de tracer les courbes isothermes représentant les variations
de MoλT en fonction de la longueur d’onde pour divers températures
II- Lois du rayonnement
2.2 Lois physique
2.2.2 Rayonnement du corps noir
Remarques :
- La longueur d’onde λM pour laquelle l’émission est maximale varie avec la température
de la source :
5
2,897.10 −3
T
M = et Mo = 0,410
10
MT
T
Avec T: température (K)
II- Lois du rayonnement
2.2 Lois physique
2.2.2 Rayonnement du corps noir
Emittance totale MoT :
L’intégration de la formule de Planck pour toutes les longueurs d’onde donne
l’émittance totale MoT du corps noir qui n’est plus fonction que de la température
T, on obtient la loi de Stefan-Boltzmann :
MoT = T 4
Avec : = 5,675.10 W .m .K
−8 −2 −4
T = T
II- Lois du rayonnement
2.2 Lois physique
2.2.3 Rayonnement des corps non noirs
Facteur d’émission ou émissivité
Cas des corps gris
Ils sont caractérisés par αλT = αT soit d’après ce qui précède : ελT = εT
Or, MT = εT MoT, nous en déduisons l’émittance du corps gris à la température T;
M T = T T 4
II- Lois du rayonnement
4.3 Rayonnement réciproque de plusieurs surfaces
Hypothèses:
- Les surfaces considérées sont supposées homogènes, opaques, isothermes et grises.
- Les éclairement sont supposés homogènes et les réflexions diffuses ;
4.3.1 Radiosité et flux net perdu
Le rayonnement qui quitte une surface Si est la somme de son émission propre
et de la réflexion d’une partie du rayonnement incident sur cette surface. On
appelle radiosité, que l’on note Ji, l’émittance apparente de la surface Si donc :
J i = i Ti 4 + (1 − i ) Ei