Emissivité - Emissivity

Les forgerons travaillent le fer lorsqu'il est suffisamment chaud pour émettre un rayonnement thermique bien visible .

L' émissivité de la surface d'un matériau est son efficacité à émettre de l'énergie sous forme de rayonnement thermique . Le rayonnement thermique est un rayonnement électromagnétique qui peut inclure à la fois un rayonnement visible (lumière) et un rayonnement infrarouge , qui n'est pas visible à l'œil nu. Le rayonnement thermique des objets très chauds (voir photo) est facilement visible à l'œil nu. Quantitativement, l'émissivité est le rapport entre le rayonnement thermique d'une surface et le rayonnement d'une surface noire idéale à la même température que celle donnée par la loi de Stefan-Boltzmann . Le rapport varie de 0 à 1. La surface d'un corps noir parfait (avec une émissivité de 1) émet un rayonnement thermique à raison d'environ 448 watts par mètre carré à température ambiante (25 °C, 298,15 K) ; tous les objets réels ont des émissivités inférieures à 1,0 et émettent des rayonnements à des taux proportionnellement inférieurs.

Les émissivités sont importantes dans plusieurs contextes :

  • Fenêtres isolées – Les surfaces chaudes sont généralement refroidies directement par l'air, mais elles se refroidissent également en émettant un rayonnement thermique. Ce deuxième mécanisme de refroidissement est important pour les vitrages simples, qui ont des émissivités proches de la valeur maximale possible de 1,0. Les « fenêtres à faible émissivité » avec des revêtements transparents à faible émissivité émettent moins de rayonnement thermique que les fenêtres ordinaires. En hiver, ces revêtements peuvent réduire de moitié la vitesse à laquelle une fenêtre perd de la chaleur par rapport à une fenêtre en verre sans revêtement.
Système de chauffe-eau solaire basé sur des capteurs à tubes de verre sous vide . La lumière du soleil est absorbée à l'intérieur de chaque tube par une surface sélective. La surface absorbe presque complètement la lumière du soleil, mais a une faible émissivité thermique de sorte qu'elle perd très peu de chaleur. Les surfaces noires ordinaires absorbent également efficacement la lumière du soleil, mais elles émettent abondamment un rayonnement thermique.
  • Collecteurs de chaleur solaire – De même, les collecteurs de chaleur solaire perdent de la chaleur en émettant un rayonnement thermique. Les capteurs solaires avancés incorporent des surfaces sélectives qui ont de très faibles émissivités. Ces capteurs gaspillent très peu d'énergie solaire par émission de rayonnement thermique.
  • Blindage thermique - Pour la protection des structures contre les températures de surface élevées, telles que les engins spatiaux réutilisables ou les avions hypersoniques , des revêtements à haute émissivité (HEC), avec des valeurs d'émissivité proches de 0,9, sont appliqués sur la surface des céramiques isolantes. Cela facilite le refroidissement radiatif et la protection de la structure sous-jacente et constitue une alternative aux revêtements ablatifs, utilisés dans les capsules de rentrée à usage unique .
  • Températures planétaires – Les planètes sont des capteurs solaires thermiques à grande échelle. La température de la surface d'une planète est déterminée par l'équilibre entre la chaleur absorbée par la planète par la lumière du soleil, la chaleur émise par son noyau et le rayonnement thermique renvoyé dans l'espace. L'émissivité d'une planète est déterminée par la nature de sa surface et de son atmosphère.
  • Mesures de température – Les pyromètres et les caméras infrarouges sont des instruments utilisés pour mesurer la température d'un objet en utilisant son rayonnement thermique ; aucun contact réel avec l'objet n'est nécessaire. L'étalonnage de ces instruments implique l'émissivité de la surface mesurée.

Définitions mathématiques

Emissivité hémisphérique

Émissivité hémisphérique d'une surface, notée ε , est définie comme

  • M e est l' exitance radiante de cette surface;
  • M e ° est l'exitance radiante d'un corps noir à la même température que cette surface.

Emissivité spectrale hémisphérique

L'émissivité spectrale hémisphérique en fréquence et l' émissivité spectrale hémisphérique en longueur d' onde d'une surface, notées respectivement ε ν et ε λ , sont définies comme

Émissivité directionnelle

L'émissivité directionnelle d'une surface, notée ε Ω , est définie comme

  • L e,Ω est la radiance de cette surface ;
  • L e,Ω ° est la radiance d'un corps noir à la même température que cette surface.

Emissivité directionnelle spectrale

L'émissivité directionnelle spectrale en fréquence et l' émissivité directionnelle spectrale en longueur d' onde d'une surface, notées respectivement ε ν,Ω et ε λ,Ω , sont définies comme

  • L e,Ω,ν est la radiance spectrale en fréquence de cette surface ;
  • L e,Ω,ν ° est la luminance spectrale en fréquence d'un corps noir à la même température que cette surface ;
  • L e,Ω,λ est la radiance spectrale en longueur d' onde de cette surface;
  • L e,Ω,λ ° est la radiance spectrale en longueur d'onde d'un corps noir à la même température que cette surface.

Emissivités des surfaces communes

Émissifs ε peuvent être mesurés en utilisant des dispositifs simples comme le cube de Leslie conjointement avec un détecteur de rayonnement thermique tel qu'une thermopile ou un bolomètre . L'appareil compare le rayonnement thermique d'une surface à tester avec le rayonnement thermique d'un échantillon noir presque idéal. Les détecteurs sont essentiellement des absorbeurs noirs avec des thermomètres très sensibles qui enregistrent l'élévation de température du détecteur lorsqu'il est exposé à un rayonnement thermique. Pour mesurer les émissivités à température ambiante, les détecteurs doivent absorber complètement le rayonnement thermique à des longueurs d' onde infrarouges proches de 10×10 -6 mètres. La lumière visible a une gamme de longueurs d'onde d'environ 0,4 à 0,7 × 10 -6 mètres du violet au rouge foncé.

Les mesures d'émissivité pour de nombreuses surfaces sont compilées dans de nombreux manuels et textes. Certains d'entre eux sont répertoriés dans le tableau suivant.

Photographies d'un cube de Leslie en aluminium . Les photographies en couleurs sont prises à l'aide d'une caméra infrarouge ; les photographies en noir et blanc en dessous sont prises avec un appareil photo ordinaire. Toutes les faces du cube sont à la même température d'environ 55 °C (131 °F). La face du cube qui a été peinte en noir a une grande émissivité, qui est indiquée par la couleur rougeâtre sur la photographie infrarouge. La face polie du cube a une faible émissivité indiquée par la couleur bleue et l'image réfléchie de la main chaude est claire.
Matériel Émissivité
Papier d'aluminium 0,03
Aluminium, anodisé 0,9
Asphalte 0,88
Brique 0,90
Béton, brut 0,91
Cuivre , poli 0,04
Cuivre oxydé 0,87
Verre , lisse (non couché) 0,95
La glace 0,97
Calcaire 0,92
Marbre (poli) 0,89 à 0,92
Peinture (y compris blanc) 0,9
Papier, toiture ou blanc 0,88 à 0,86
Plâtre , rugueux 0,89
Argent , poli 0,02
Argent, oxydé 0,04
Peau, Humain 0,97 à 0,999
Neiger 0,8 à 0,9
Disiliciures de métaux de transition (par exemple MoSi 2 ou WSi 2 ) 0,86 à 0,93
Eau , pure 0,96

Remarques:

  1. Ces émissivités sont les émissivités hémisphériques totales des surfaces.
  2. Les valeurs des émissivités s'appliquent aux matériaux optiquement épais . Cela signifie que l'absorptivité aux longueurs d'onde typiques du rayonnement thermique ne dépend pas de l'épaisseur du matériau. Les matériaux très minces émettent moins de rayonnement thermique que les matériaux plus épais.

Absorptivité

Il existe une relation fondamentale ( loi du rayonnement thermique de Gustav Kirchhoff de 1859) qui assimile l'émissivité d'une surface à son absorption du rayonnement incident (l'« absorptivité » d'une surface). La loi de Kirchhoff explique pourquoi les émissivités ne peuvent pas dépasser 1, puisque la plus grande absorptivité - correspondant à l'absorption complète de toute la lumière incidente par un objet vraiment noir - est également de 1. la lumière n'est pas absorbée. Une surface en argent poli a une émissivité d'environ 0,02 près de la température ambiante. La suie noire absorbe très bien le rayonnement thermique; il a une émissivité aussi grande que 0,97, et donc la suie est une bonne approximation d'un corps noir idéal.

À l'exception des métaux nus et polis, l'apparence d'une surface à l'œil n'est pas un bon indicateur des émissivités proches de la température ambiante. Ainsi, la peinture blanche absorbe très peu de lumière visible. Cependant, à une longueur d'onde infrarouge de 10x10 -6 mètres, la peinture absorbe très bien la lumière et a une émissivité élevée. De même, l'eau pure absorbe très peu de lumière visible, mais l'eau est néanmoins un puissant absorbeur d'infrarouges et a une émissivité proportionnellement élevée.

Émissivité spectrale directionnelle

En plus des émissivités hémisphériques totales compilées dans le tableau ci-dessus, une « émissivité spectrale directionnelle » plus complexe peut également être mesurée. Cette émissivité dépend de la longueur d'onde et de l'angle du rayonnement thermique sortant. La loi de Kirchhoff s'applique en fait exactement à cette émissivité plus complexe : l'émissivité du rayonnement thermique émergeant dans une direction particulière et à une longueur d'onde particulière correspond à l'absorptivité de la lumière incidente à la même longueur d'onde et au même angle. L'émissivité hémisphérique totale est une moyenne pondérée de cette émissivité spectrale directionnelle ; la moyenne est décrite par des manuels sur le « transfert de chaleur radiative ».

Émission

L'émissivité (ou puissance émissive) est la quantité totale d'énergie thermique émise par unité de surface par unité de temps pour toutes les longueurs d'onde possibles. L'émissivité d'un corps à une température donnée est le rapport de la puissance émissive totale d'un corps à la puissance émissive totale d'un corps parfaitement noir à cette température. Suivant la loi de Plancks , l'énergie totale rayonnée augmente avec la température tandis que le pic du spectre d'émission se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes. L'énergie émise à des longueurs d'onde plus courtes augmente plus rapidement avec la température. Par exemple, un corps noir idéal en équilibre thermique à 1273 K émettra 97 % de son énergie à des longueurs d'onde inférieures à 14 µm.

Le terme émissivité est généralement utilisé pour décrire une surface simple et homogène telle que l'argent. Des termes similaires, émittance et émittance thermique , sont utilisés pour décrire les mesures de rayonnement thermique sur des surfaces complexes telles que les produits d'isolation.

Unités de radiométrie SI

Quantité Unité Dimension Remarques
Nom symbole Nom symbole symbole
Energie radiante Q e joule J ML 2T -2 Énergie du rayonnement électromagnétique.
Densité d'énergie rayonnante w e joule par mètre cube J/m 3 M de la L -1T -2 Énergie rayonnante par unité de volume.
Flux radiant Φ e watt W = J/s ML 2T -3 Énergie rayonnante émise, réfléchie, transmise ou reçue, par unité de temps. C'est ce qu'on appelle parfois aussi « puissance rayonnante ».
Flux spectral Φ e, ν watt par hertz W/ Hz ML 2T -2 Flux radiant par unité de fréquence ou de longueur d'onde. Ce dernier est couramment mesuré en W⋅nm -1 .
Φ e, λ watt par mètre W/m MLT -3
Intensité radiante Je e,Ω watt par stéradian avec sr ML 2T -3 Flux radiant émis, réfléchi, transmis ou reçu, par unité d'angle solide. C'est une grandeur directionnelle .
Intensité spectrale Je e,Ω,ν watt par stéradian par hertz W⋅sr -1 ⋅Hz -1 ML 2T -2 Intensité radiante par unité de fréquence ou de longueur d'onde. Cette dernière est couramment mesurée en W⋅sr -1 nm -1 . C'est une grandeur directionnelle .
Je e,Ω,λ watt par stéradian par mètre W⋅sr −1 m −1 MLT -3
Éclat L e,Ω watt par stéradian par mètre carré W⋅sr −1 m −2 MT -3 Flux radiant émis, réfléchi, transmis ou reçu par une surface , par unité d'angle solide par unité de surface projetée. C'est une grandeur directionnelle . Ceci est parfois aussi appelé de manière confuse « intensité ».
Éclat spectral L e,Ω,ν watt par stéradian par mètre carré par hertz W⋅sr -1 m -2 ⋅Hz -1 MT -2 Radiance d'une surface par unité de fréquence ou de longueur d'onde. Cette dernière est couramment mesurée en W⋅sr -1 m -2 nm -1 . C'est une grandeur directionnelle . Ceci est parfois aussi appelé de manière confuse « intensité spectrale ».
L e,Ω,λ watt par stéradian par mètre carré, par mètre W⋅sr −1 m −3 M de la L -1T -3
Densité de flux d' irradiance
E e watt par mètre carré W/m 2 MT -3 Flux radiant reçu par une surface par unité de surface. Ceci est parfois aussi appelé de manière confuse « intensité ».
Irradiance
spectrale Densité de flux spectral
E e,ν watt par mètre carré par hertz W⋅m −2 ⋅Hz −1 MT -2 Irradiance d'une surface par unité de fréquence ou de longueur d'onde. Ceci est parfois aussi appelé de manière confuse « intensité spectrale ». Les unités non-SI de densité de flux spectral comprennent jansky (1 Jy = 10 −26  W⋅m −2 ⋅Hz −1 ) et l'unité de flux solaire (1 sfu = 10 −22  W⋅m −2 ⋅Hz −1 = 10 4  Jy).
E e,λ watt par mètre carré, par mètre W/m 3 M de la L -1T -3
Radiosité J e watt par mètre carré W/m 2 MT -3 Flux radiant laissant (émis, réfléchi et transmis par) une surface par unité de surface. Ceci est parfois aussi appelé de manière confuse « intensité ».
Radiosité spectrale Je watt par mètre carré par hertz W⋅m −2 ⋅Hz −1 MT -2 Radiosité d'une surface par unité de fréquence ou de longueur d'onde. Cette dernière est couramment mesurée en W⋅m -2 nm -1 . Ceci est parfois aussi appelé de manière confuse « intensité spectrale ».
Je watt par mètre carré, par mètre W/m 3 M de la L -1T -3
Sortie rayonnante M e watt par mètre carré W/m 2 MT -3 Flux radiant émis par une surface par unité de surface. C'est la composante émise de la radiosité. « Emittance rayonnante » est un ancien terme pour cette quantité. Ceci est parfois aussi appelé de manière confuse « intensité ».
Sortie spectrale Moi watt par mètre carré par hertz W⋅m −2 ⋅Hz −1 MT -2 Exitance radiante d'une surface par unité de fréquence ou de longueur d'onde. Cette dernière est couramment mesurée en W⋅m -2 nm -1 . « Emittance spectrale » est un ancien terme pour cette quantité. Ceci est parfois aussi appelé de manière confuse « intensité spectrale ».
Moi watt par mètre carré, par mètre W/m 3 M de la L -1T -3
Exposition radiante H e joule par mètre carré J/m 2 MT -2 Énergie rayonnante reçue par une surface par unité de surface, ou de manière équivalente irradiance d'une surface intégrée au cours du temps d'irradiation. Ceci est parfois aussi appelé "fluence rayonnante".
Exposition spectrale Il joule par mètre carré par hertz J⋅m −2 ⋅Hz −1 MT -1 Exposition radiante d'une surface par unité de fréquence ou de longueur d'onde. Cette dernière est couramment mesurée en J⋅m -2 nm -1 . Ceci est parfois aussi appelé "fluence spectrale".
Il joule par mètre carré, par mètre J/m 3 M de la L -1T -2
Emissivité hémisphérique ?? N / A 1 Exitance radiante d'une surface , divisée par celle d'un corps noir à la même température que cette surface.
Emissivité spectrale hémisphérique ε ν
 ou
ε λ
N / A 1 Exitance spectrale d'une surface , divisée par celle d'un corps noir à la même température que cette surface.
Émissivité directionnelle e Ohm N / A 1 Radiance émise par une surface , divisée par celle émise par un corps noir à la même température que cette surface.
Emissivité directionnelle spectrale e Ohm, ν
 ou
e Ohm, λ
N / A 1 Radiance spectrale émise par une surface , divisée par celle d'un corps noir à la même température que cette surface.
Absorption hémisphérique UNE N / A 1 Flux radiant absorbé par une surface , divisé par celui reçu par cette surface. Cela ne doit pas être confondu avec « absorbance ».
Absorptance spectrale hémisphérique A ν
 ou
A λ
N / A 1 Flux spectral absorbé par une surface divisé par celui reçu par cette surface. Ceci ne doit pas être confondu avec " l' absorbance spectrale ".
Absorption directionnelle A Ω N / A 1 Radiance absorbée par une surface , divisée par la radiance incidente sur cette surface. Cela ne doit pas être confondu avec « absorbance ».
Absorptance directionnelle spectrale Un Ω,ν
 ou
un
N / A 1 Radiance spectrale absorbée par une surface , divisée par la radiance spectrale incidente sur cette surface. Ceci ne doit pas être confondu avec " l' absorbance spectrale ".
Réflectance hémisphérique R N / A 1 Flux radiant réfléchi par une surface , divisé par celui reçu par cette surface.
Réflectance spectrale hémisphérique R ν
 ou
R λ
N / A 1 Flux spectral réfléchi par une surface divisé par celui reçu par cette surface.
Réflectance directionnelle R Ω N / A 1 Radiance réfléchie par une surface , divisée par celle reçue par cette surface.
Réflectance directionnelle spectrale R
 ou
R Ω,λ
N / A 1 Radiance spectrale réfléchie par une surface , divisée par celle reçue par cette surface.
Transmission hémisphérique T N / A 1 Flux rayonnant transmis par une surface divisé par celui reçu par cette surface.
Transmission spectrale hémisphérique T ν
 ou
T λ
N / A 1 Flux spectral transmis par une surface divisé par celui reçu par cette surface.
Transmission directionnelle T Ω N / A 1 Radiance transmise par une surface , divisée par celle reçue par cette surface.
Transmission spectrale directionnelle T
 ou
T Ω,λ
N / A 1 Radiance spectrale transmise par une surface , divisée par celle reçue par cette surface.
Coefficient d'atténuation hémisphérique ?? compteur réciproque m -1 L -1 Flux radiant absorbé et diffusé par un volume par unité de longueur, divisé par celui reçu par ce volume.
Coefficient d'atténuation spectrale hémisphérique μ ν
 ou
μ λ
compteur réciproque m -1 L -1 Flux radiant spectral absorbé et diffusé par un volume par unité de longueur, divisé par celui reçu par ce volume.
Coefficient d'atténuation directionnelle um Ohm compteur réciproque m -1 L -1 Radiance absorbée et diffusée par un volume par unité de longueur, divisée par celle reçue par ce volume.
Coefficient d'atténuation directionnelle spectrale um Ohm, ν
 ou
um Ohm, λ
compteur réciproque m -1 L -1 Radiance spectrale absorbée et diffusée par un volume par unité de longueur, divisée par celle reçue par ce volume.
Voir aussi : SI  · Radiométrie  · Photométrie

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • " Emissivité spectrale et émittance " . Southampton, PA : Temperatures.com, Inc. Archivé de l'original le 4 avril 2017.Un site Web et un répertoire ouverts et axés sur la communauté avec des ressources liées à l'émissivité et à l'émittance spectrales. Sur ce site, l'accent est mis sur les données disponibles, les références et les liens vers les ressources liées à l'émissivité spectrale telle qu'elle est mesurée et utilisée en thermométrie à rayonnement thermique et en thermographie (imagerie thermique).
  • " Coefficients d'émissivité de certains matériaux courants " . engineeringtoolbox.com.Ressources, outils et informations de base pour l'ingénierie et la conception d'applications techniques. Ce site offre une longue liste d'autres documents non couverts ci-dessus.