Rayonnement thermique des matériaux opaques

Dans de nombreuses installations, une évaluation précise des échanges énergétiques, en particulier radiatifs, s’avère nécessaire pour la conception aussi bien que pour des raisons de sécurité et de fiabilité. Les transferts par rayonnement électromagnétique jouent un rôle de plus en plus important ; en effet, ils deviennent prépondérants aux températures élevées, pratiquées par de vastes secteurs industriels, et interviennent seuls lorsque la propagation de l’énergie s’effectue dans le vide, même à basses températures comme dans la plupart des applications aérospatiales ou dans certains solants cryogéniques.

La caractéristique intrinsèque d’un rayonnement électromagnétique est la fréquence ν qui reste invariante lors des phénomènes envisagés par la suite. La longueur d’onde dépend, au contraire, du milieu dans lequel se propage le rayonnement. Il serait donc préférable d’utiliser uniquement la fréquence ν. Malheureusement, un usage contraire s’est établi. Pour éviter toute confusion, nous ne considérerons ici que la longueur d’onde λ du rayonnement électromagnétique dans le vide ou dans un milieu d’indice de réfraction pratiquement égal à 1 (cas des gaz : N₂, O₂, air, etc.) de sorte que :

XXX

où c₀ est la vitesse de propagation du rayonnement électromagnétique dans le vide.

Dans le cadre du rayonnement dit thermique ne sont prises en compte que les transformations d’énergie radiative en énergie interne (phénomène d’absorption) ou vice versa (phénomène d’émission). Le maximum d’émission du corps de référence, connu sous le nom de corps noir (§ 1.2), est situé à une longueur d’onde λm telle que :

λ_mT= 2 897,8μm · K

avec T (en kelvins) température thermodynamique du corps noir. Les températures courantes allant d’environ 80 K à 6 000 K, le domaine usuel du rayonnement thermique s’étend du visible au proche infrarouge, c’est-à-dire approximativement:

0,3 < à λ < à 50μm

Précisons que cet article concerne uniquement les matériaux opaques, c’est-à-dire ne transmettant aucune fraction d’un rayonnement incident. Souvent, cette propriété est vérifiée dans tout le domaine ci-dessus intéressant le thermicien. De plus, pour la plupart des solides et certains liquides, la profondeur de pénétration du rayonnement incident est extrêmement faible (du nanomètre au millimètre), négligeable devant les dimensions de l’échantillon considéré. Il est alors inutile d’envisager la propagation de ce rayonnement à l’intérieur de la substance. Conformément à un abus de langage, l’interaction rayonnement-matière, autrement dit les phénomènes d’absorption et d’émission, s’effectue en surface. C’est le type de matériaux examinés ici.

Actuellement,...