Transferts d'énergie par rayonnement
En plein été à Marseille, tu poses la main sur le capot d'une voiture noire garée au soleil : il est brûlant. Pourtant, le Soleil est à 150 millions de kilomètres, et entre lui et nous, il y a presque uniquement du vide. Comment l'énergie voyage-t-elle jusqu'à nous ? Et pourquoi la Terre n'est-elle pas un désert glacé ?
Les trois modes de transfert thermique
L'énergie thermique passe toujours d'un objet chaud vers un objet plus froid. Elle peut le faire de trois façons.
| Mode | Principe | Milieu nécessaire ? | Exemple |
|---|---|---|---|
| Conduction | l'énergie se transmet de proche en proche dans la matière, sans déplacement d'ensemble | oui (surtout les solides) | une cuillère en métal chauffe dans un bol de soupe |
| Convection | de la matière chaude se déplace et transporte l'énergie | oui (liquide ou gaz) | l'air chaud monte au-dessus d'un radiateur |
| Rayonnement | l'énergie est transportée par la lumière (visible, infrarouge…) | non : elle traverse le vide | la chaleur d'un feu de camp sur ton visage, le Soleil |
Citer les trois modes de transfert thermique et donner un exemple de la vie courante pour chacun.
Citer les trois modes de transfert thermique et donner un exemple de la vie courante pour chacun.
Le Soleil chauffe la Terre alors qu'il en est très éloigné et qu'entre eux se trouve le vide. a) Quel mode de transfert d'énergie intervient ? b) Pourquoi ni la…
Le Soleil chauffe la Terre alors qu'il en est très éloigné et qu'entre eux se trouve le vide.
- a) Quel mode de transfert d'énergie intervient ?
- b) Pourquoi ni la conduction ni la convection ne sont-elles possibles ?
Le rayonnement du Soleil
Le Soleil émet de la lumière au sens large : de l'ultraviolet, de la lumière visible et de l'infrarouge. Ce rayonnement transporte de l'énergie et se propage dans le vide. Quand il arrive sur un objet, trois choses peuvent se passer : il est réfléchi, absorbé ou transmis.
L'énergie absorbée chauffe l'objet. Un objet sombre absorbe beaucoup, un objet clair réfléchit beaucoup. Tout objet chaud émet lui-même du rayonnement infrarouge, invisible pour nos yeux (c'est ce que voit une caméra thermique).
Une voiture noire et une voiture blanche sont garées au soleil à Marseille. Laquelle chauffe le plus ? Expliquer.
Une voiture noire et une voiture blanche sont garées au soleil à Marseille. Laquelle chauffe le plus ? Expliquer.
Puissance reçue et énergie
Le rayonnement solaire se mesure en puissance par mètre carré (W/m²). Plus la surface est grande, plus la puissance reçue est grande :
$$P = \text{puissance par m}^2 \times S \qquad E = P \times t$$Rappel : avec $P$ en kW et $t$ en h, l'énergie $E$ est en kWh. Le rendement est le rapport entre l'énergie utile et l'énergie reçue.
Pour un bilan avec des pourcentages, on procède de la même façon : si $30\ \%$ de $340\ \text{W/m}^2$ est réfléchi, on réfléchit $340 \times 0{,}30 = 102\ \text{W/m}^2$ et on absorbe $340 - 102 = 238\ \text{W/m}^2$.
Un panneau solaire de $2\ \text{m}^2$ reçoit une puissance de $1\ 000\ \text{W/m}^2$ du Soleil. a) Calculer la puissance reçue. b) Calculer l'énergie reçue en $3$…
Un panneau solaire de $2\ \text{m}^2$ reçoit une puissance de $1\ 000\ \text{W/m}^2$ du Soleil.
- a) Calculer la puissance reçue.
- b) Calculer l'énergie reçue en $3$ heures, en kWh.
- c) Le rendement est de $18\ \%$. Calculer l'énergie électrique produite.
La Terre reçoit en moyenne $340\ \text{W/m}^2$ du Soleil. Environ $30\ \%$ est réfléchi vers l'espace. a) Calculer la puissance réfléchie par mètre carré. b) Calculer la…
La Terre reçoit en moyenne $340\ \text{W/m}^2$ du Soleil. Environ $30\ \%$ est réfléchi vers l'espace.
- a) Calculer la puissance réfléchie par mètre carré.
- b) Calculer la puissance absorbée par mètre carré.
- c) Que devient l'énergie absorbée ?
L'effet de serre
Dans une serre de jardin, il fait plus chaud qu'à l'extérieur. Voici pourquoi.
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La lumière visible du Soleil traverse la vitre et est absorbée par le sol et les plantes.
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Le sol chauffé émet de l'infrarouge.
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La vitre laisse mal passer l'infrarouge : elle l'absorbe et en renvoie une partie vers l'intérieur.
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L'énergie reste piégée : la température monte jusqu'à ce que l'énergie émise compense l'énergie reçue.
Attention : la serre n'est qu'une analogie. Dans une vraie serre, la vitre bloque aussi la convection : l'air chaud ne peut pas s'échapper et se mélanger à l'air extérieur. Dans l'atmosphère, il n'y a pas de vitre, et seul le piégeage de l'infrarouge intervient.
L'atmosphère joue le rôle de la vitre. Les gaz à effet de serre (vapeur d'eau, dioxyde de carbone $\text{CO}_2$, méthane $\text{CH}_4$) laissent passer la lumière visible mais absorbent l'infrarouge émis par le sol, puis le réémettent dans toutes les directions, dont la moitié vers le sol.
Cet effet de serre naturel est indispensable : sans atmosphère, la température moyenne de la Terre serait d'environ $-18\ ^\circ\text{C}$ au lieu de $+15\ ^\circ\text{C}$, soit $33\ ^\circ\text{C}$ de moins. L'eau liquide gèlerait.
Dans une serre de jardin, la température est plus élevée qu'à l'extérieur. a) Expliquer ce phénomène avec les notions de rayonnement visible et infrarouge. b) Pourquoi…
Dans une serre de jardin, la température est plus élevée qu'à l'extérieur.
- a) Expliquer ce phénomène avec les notions de rayonnement visible et infrarouge.
- b) Pourquoi l'atmosphère peut-elle jouer un rôle similaire ?
Le Soleil envoie sur la Terre une puissance moyenne de $240\ \text{W/m}^2$ absorbée. En l'absence d'atmosphère la Terre aurait une température moyenne de…
Le Soleil envoie sur la Terre une puissance moyenne de $240\ \text{W/m}^2$ absorbée. En l'absence d'atmosphère la Terre aurait une température moyenne de $-18\ ^\circ\text{C}$, alors qu'elle est de $+15\ ^\circ\text{C}$.
- a) Calculer la différence de température.
- b) Expliquer cette différence par l'effet de serre.
- c) Pourquoi l'effet de serre naturel est-il indispensable à la vie ?
Équilibre énergétique et réchauffement
Une température est stable quand l'énergie reçue est égale à l'énergie émise. Pour la Terre : elle absorbe environ $240\ \text{W/m}^2$ et doit en renvoyer autant vers l'espace.
Si la concentration en $\text{CO}_2$ augmente (combustion du pétrole, du gaz, du charbon), l'atmosphère absorbe et renvoie davantage d'infrarouge vers le sol. Moins d'énergie s'échappe : l'énergie reçue devient supérieure à l'énergie émise. La Terre accumule de l'énergie et sa température augmente, jusqu'à un nouvel équilibre plus chaud.
Les planètes le confirment : Vénus, avec une atmosphère à $96\ \%$ de $\text{CO}_2$, atteint environ $460\ ^\circ\text{C}$ en surface, plus que Mercure, pourtant plus proche du Soleil et sans atmosphère. L'atmosphère terrestre, intermédiaire, donne $+15\ ^\circ\text{C}$.
Un schéma décrit le bilan énergétique de la Terre : le sol absorbe $240\ \text{W/m}^2$ du Soleil et émet de l'infrarouge. Les gaz à effet de serre absorbent une grande…
Un schéma décrit le bilan énergétique de la Terre : le sol absorbe $240\ \text{W/m}^2$ du Soleil et émet de l'infrarouge. Les gaz à effet de serre absorbent une grande partie de cet infrarouge et en réémettent la moitié vers le sol.
- a) Expliquer ce que deviennent les infrarouges émis par le sol.
- b) Pourquoi l'augmentation de la concentration en $\text{CO}_2$ perturbe-t-elle l'équilibre ?
- c) Que se passe-t-il si l'énergie reçue devient supérieure à l'énergie émise ?
Vénus, dont l'atmosphère est composée à $96\ \%$ de $\text{CO}2$, a une température de surface d'environ $460\ ^\circ\text{C}$, alors que Mercure, plus proche du Soleil,…
Vénus, dont l'atmosphère est composée à $96\ \%$ de $\text{CO}_2$, a une température de surface d'environ $460\ ^\circ\text{C}$, alors que Mercure, plus proche du Soleil, a une température moyenne bien plus faible.
- a) Expliquer ce constat.
- b) Comparer avec la Terre.
- c) Quels enseignements peut-on en tirer sur les risques d'une hausse des gaz à effet de serre ?
L'essentiel
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Trois modes de transfert thermique : conduction et convection (besoin de matière), rayonnement (traverse le vide).
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Le Soleil chauffe la Terre par rayonnement ; un objet sombre absorbe plus qu'un objet clair.
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$E = P \times t$ ; la puissance reçue dépend de la surface ; le rendement donne la part utile.
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Les gaz à effet de serre laissent passer le visible mais piègent une partie de l'infrarouge émis par le sol.
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L'effet de serre naturel rend la Terre habitable ($+15\ ^\circ\text{C}$ au lieu de $-18\ ^\circ\text{C}$) ; l'augmenter, par exemple avec plus de $\text{CO}_2$, rompt l'équilibre et réchauffe la planète.
Retour au début : la voiture noire chauffe car elle absorbe le rayonnement du Soleil, qui voyage dans le vide ; et la Terre reste tempérée grâce à son effet de serre naturel.