Science et technologie s1352

L'effet du corps noir et la loi de Planck

Un corps noir est un objet idéal qui ne réfléchit aucune lumière venue de l'extérieur. Au contraire, il absorbe toute la lumière visible qu'il reçoit. 

Par une belle journée ensoleillée d'été, on peut remarquer que la couleur des vêtements portés a une influence sur le bien-être ressenti. En portant des couleurs foncées, on ressent davantage de chaleur qu'en portant des vêtements de couleurs pâles. La couleur d'un corps a donc un impact sur sa température. Ce phénomène est souvent nommé effet du corps noir et il décrit l'effet de la couleur sur la température d'un corps

Lorsque les rayons du Soleil frappent une surface, ils peuvent être réfléchis par cette surface ou encore absorbés et transformés en chaleur. La couleur d'un corps affecte sa température intérieure, sa capacité à se réchauffer et à réchauffer l'environnement dans lequel il se trouve. Autrement dit, deux surfaces de couleurs différentes n'absorbent pas et ne réfléchissent pas les radiations solaires avec la même intensité.


Il est généralement considéré qu'un objet noir absorbe toute la lumière visible qu'il reçoit alors qu'un objet blanc se comporte de façon opposée: il réfléchit toute la lumière visible plutôt que de l'absorber. 

Description expérimentale de l'effet du corps noir

Expérimentalement, il est possible de simuler l’effet du rayonnement sur des corps de différentes couleurs. Si l’on insère un thermomètre dans trois pochettes de carton de couleur différente : une noire, une bleue et une blanche et que l’on place ces pochettes pendant un certain temps en dessous d’une lampe (qui simule le rayonnement solaire), on observera une différence de température pour les trois thermomètres.

Le thermomètre placé dans la pochette noire indiquera une température plus élevée que celle indiquée par les deux autres thermomètres. La température la plus basse sera celle dans la pochette blanche.
  
La température est la mesure du degré d’agitation des particules dans une substance. On peut donc conclure que les particules de matière sont plus agitées dans la pochette noire que dans la pochette blanche puisque la température de la première est plus élevée. Conséquemment, un objet foncé ne réfléchit pas les rayons du Soleil de la même façon que le font les objets de couleur pâle.

De façon théorique, on considère que:
•un objet noir idéal (corps noir) absorbe toute la lumière visible qu'il reçoit et la transforme en chaleur; 
•un objet blanc idéal se comporte de façon opposée: il réfléchit toute la lumière visible plutôt que de l'absorber;
•les objets de couleurs intermédiaires réfléchissent une partie de la lumière visible et en absorbent l'autre partie.

 

Absorption et réflexion des rayons solaires

Le schéma ci-dessous illustre les comportements possibles de la lumière lorsqu'elle rencontre la surface d'un corps (flux d'énergie incidente en jaune). Le corps peut: 
1) absorber, en totalité ou en partie, la lumière reçue (flux d'énergie absorbée en rouge);
2) réfléchir, en totalité ou en partie, la lumière reçue (flux d'énergie réfléchie en bleu).

En fait, les corps foncés ne réfléchissent pas ou très peu les rayons du Soleil. Au lieu de les faire rebondir (les faire réfléchir) comme le font les corps blancs, les corps noirs absorbent les rayons et les transforment en chaleur.

Cette absorption d’énergie entraîne une élévation de la température ressentie puisque l'énergie lumineuse est alors transformée en énergie thermique.

Un corps parfaitement noir absorberait tout le flux d’énergie qui lui parvient (le flux d’énergie incidente). On aurait alors:

  
Dans le cas d’un corps parfaitement blanc, la matière réfléchit toute la lumière incidente:

  
Dans le cas d’une couleur intermédiaire (comme le vert), une partie de la lumière incidente sera absorbée et transformée en chaleur alors que l'autre partie sera réfléchie:

Planck et l’effet du corps noir

Un physicien allemand, Max Planck (1858-1947) a démontré à l’aide d’une relation mathématique complexe que l’émission des radiations émises par un corps dépend de la température. Sa loi est basée sur le comportement d'un corps noir idéal. 

En fait, la loi de Planck nous renseigne sur l’intensité de la lumière en fonction de la longueur d’onde et de la température. En captant le rayonnement émis par un corps, il est possible d'en déduire la température. Bien que le corps noir soit un corps idéal qui n'existe pas dans la réalité, le comportement des corps réels peut s'approcher plus ou moins de celui d'un corps noir, ce qui permet d'utiliser la loi de Planck pour mesurer la température d'un corps. 

Plus la température d’un corps est élevée, plus la longueur d’onde émise par la couleur est courte. Il en découle alors des radiations de grande intensité.

La loi de Planck est utile lorsqu'il s'avère impossible de déterminer la température d'un corps par des mesures expérimentales. C'est entre autre le cas lorsqu'on veut déterminer la température des corps célestes (des étoiles par exemple). 

En météorologie, ce comportement des surfaces de couleurs différentes à absorber différemment l'énergie solaire a des conséquences sur le climat. Une surface blanche, telle que la neige, réfléchira plus de rayonnement qu'une surface verte, telle que l'herbe. L'asphalte, qui est noir, absorbera plus de rayonnement que le sable beige pâle ou les champs de blé.

Cette propriété de la matière à réfléchir le rayonnement solaire s'appelle la réflectivité, ou l'effet d'albédo. Elle dépend de la nature de la surface du sol et de sa couleur. La réflectivité est donnée en pourcentage et représente le pourcentage de l'énergie incidente qui est réfléchie par la matière, le reste étant absorbé par cette matière.

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