Limitation des pertes par rayonnement

Écrit par Léo, Léopold et Maxime le . Publié dans Comment minimiser les pertes d'énergie ?

a) La vitre et l’effet de serre

Une observation toute simple nous a intrigués : pourquoi la lumière entre-elle si facilement mais ne ressort-elle pas du four ?

Comme nous pouvons observer le spectre en transmission ci-dessous du verre utilisé dans le bâtiment, il est transparent au rayonnement visible et au proche infrarouge mais opaque à l'infrarouge lointain. Autrement dit le verre aura les mêmes capacités que l’atmosphère :

-          Il laissera passer la lumière visible et le proche infrarouge provenant du Soleil ;

-          Par contre il bloquera le rayonnement thermique émis par les objets du fait de leur température. 

 

Expérience et hypothèse n°8 : Nous avons voulu vérifier que le verre qui constitue la vitre est opaque aux infrarouges qui sont émis par un corps chaud.  

Protocole : Afin de prouver cette affirmation, il nous a suffit de placer un individu derrière une vitre.

Observation : Cet individu, émettant dans l’infrarouge lointain, n’est plus visible lorsqu’on l’observe à l’aide d’une caméra infrarouge si la vitre est opaque aux infrarouges lointains comme l’atmosphère. Derrière la vitre, on ne distinguait plus l’un d’entre nous.

Conclusion : La vitre est bien opaque au rayonnement infrarouge émis par un corps chaud.

Interprétation : Typiquement, les objets dont la température est comprise entre 20 et 100°C émettent principalement un rayonnement dont la longueur d'onde est entre 7 et 10 μm. En effet la loi de Wien permet de retrouver cette affirmation puisqu’elle permet de relier la longueur d’onde de maximum d’émission d’un corps noir et sa température :

λ (nm) = 2,898.106/T (en K) Loi de Wien

Pour θ= 20°C, λ= 2,898.106/ (20+273)= 9890 nm » 10 μm

Pour θ= 150°C, λ= 2,898.106/ (150+273)= 6851 nm » 7 μm

Le verre étant  imperméable aux rayons infrarouges lointains émis par les éléments intérieurs comme l'atteste le spectre de transmission de la vitre ci-dessous, ceux-cise trouvent emprisonnés dans le four. Ainsi la vitre permet la traversée des rayons solaires mais empêche leur sortie après transformation en I.R. comme l’atmosphère pour notre planète (effet de serre).

 

b) Les parois en aluminium pour réfléchir

Comme nous l’avons dit précédemment, à l’intérieur du four circulent des rayons lumineux qui vont du visibles à infrarouges lointains et qui servent à chauffer le récipient. Pour renvoyer ces rayons, plus qu’importants à la rapidité de la cuisson, des plaques d’aluminium ont été placées sur les parois intérieures du four. Celles-ci étant constituées d’une surface réfléchissante vont renvoyer l’ensemble des ondes électromagnétiques vers l’intérieur et donc vers les récipients. Comme nous l’avons observé sur les réflecteurs, l’aluminium réfléchit la quasi-totalité de la lumière qu’il reçoit quelle que soit sa longueur d’onde (dans le vide). Contrairement aux réflecteurs extérieurs, la surface et la propreté de l’aluminium importe peu ici. En effet les rayons réfléchis n’ont pas absolument besoin d’être envoyés dans une direction, pourvu qu’ils soient plus réfléchis qu’absorbés par les parois, même si comme nous pourrons le voir dans les améliorations, il serait préférable des les renvoyer vers le récipient de cuisson ou la plaque noire pour qu’ils soient absorbés. 

c) La plaque noire qui absorbe les rayons solaires

Une plaque noire est déposée dans le fond du four. En effet, la lumière constituée de photon se déplace sous forme d'onde. Un matériau de couleur noire absorbe toutes les longueurs d'ondes (du domaine visible. L’énergie électromagnétique absorbée va donner lieu une agitation particulière qui va se traduire par une augmentation de la température. La plaque noire va donc libérer des rayons infrarouges, ce qui nous a conduits à formuler une hypothèse quant à l’intérêt de cette plaque :   

Expérience et hypothèse n°9 : Nous supposons que, du fait de son absorption quasi-totale, la plaque noire permet d’atteindre une température plus élevée et ce plus rapidement  limitant les multiples réflexions à l’intérieur du four.

Protocole : Afin de valider notre hypothèse, nous avons placé deux fours côte à côte et chacun dans les mêmes conditions (orientation, réflecteur, …) sauf que l’un était équipé d’une plaque noire dans le fond tandis que l’autre non. Puis nous avons relevé les températures intérieures des deux fours au cours du temps.

Conclusion : La plaque noire dans le four, absorbe la quasi-totalité du rayonnement qu’elle reçoit.

En effet, la lumière constituée de photon se déplace sous forme d'onde. Un matériau de couleur noire absorbe toutes les longueurs d'ondes (des ondes radio au rayons X si le corps est parfaitement noir). L’énergie électromagnétique absorbée va donner lieu à une agitation particulière qui va se traduire par une augmentation de la température. La plaque noire va donc libérer des rayons infrarouges, ce qui nous a conduits à formuler une seconde hypothèse quant à l’intérêt de cette plaque :

Mesures :

 

Température en fonction du temps à l’intérieur des fours avec et sans plaque noire

Conclusion : Comme nous pouvons le remarquer, il y a une très nette différence de vitesse de montée de température entre le four 1 sans plaque et le four 2 avec. Ainsi, la plaque noire parait indispensable dans le four. Sans elle, les rayons lumineux entrants ne sont pas suffisamment absorbés et parviennent à ressortir du four pour certains d’entre eux avant d’être absorbés puis réémis en infrarouges. La plaque noire peut être substituée par un récipient noir.