Energie (8) – Infrarouges

Feu de bois et cristaux photoniques.

feu

https://youtu.be/ZW6NmUsok2c

calorifiques

Le rayonnement infrarouge est perceptible par l’exposition de la peau à la chaleur émise par une source chaude dans le noir, mais le rapport avec le spectre visible n’est pas évident. William Herschel, un astronome anglais d’origine allemande, le montra en 1800 au moyen d’une expérience très simple :

il plaça un thermomètre à mercure dans les rayons lumineux colorés issus d’un prisme de verre afin de mesurer la chaleur propre à chaque couleur. Le thermomètre indique que la chaleur reçue est la plus forte du côté rouge du spectre, y compris au-delà de la zone de lumière visible, là où il n’y a plus de lumière. Cette expérience montrait pour la première fois que la chaleur pouvait se transmettre par un rayonnement de même nature que la lumière visible. L’écossais John Leslie proposa le cube de Leslie, un dispositif destiné à calculer la valeur d’émissivité thermique de chaque matériau selon sa nature et sa géométrie. Le terme infra-rouge ou infrarouge est attesté en 1867 ; il vient d’abord souvent en qualificatif de rayonnement obscur ou de spectre lumineux. En 1877 William de Wiveleslie Abney parvient à photographier le spectre infrarouge du soleil, ce qui lui permet d’étudier le spectre solaire et ses raies hors du domaine visible.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Infrarouge

 

Dans un thermos, du vide sépare la paroi interne de la paroi externe et isole ainsi thermiquement le liquide, chaud ou froid, de l’extérieur. Mais Wah Tung Lau et ses collègues, à l’Université Stanford aux États-Unis, montrent que l’on peut obtenir une isolation thermique meilleure qu’avec du vide. Comment ? En utilisant des « cristaux photoniques » formés de multicouches. La chaleur se propage selon trois modes possibles : par diffusion de proche en proche de l’agitation moléculaire, par convection (déplacements macroscopiques de matière) ou par rayonnement, dans l’infrarouge principalement. Pour un thermos, il n’y a pas de pertes de chaleur par convection, mais sa double paroi permet de réduire fortement la diffusion de la chaleur. Cependant, cette double paroi n’empêche pas les échanges de chaleur par rayonnement. Pour bloquer le rayonnement infrarouge, W. T. Lau et ses collègues ont envisagé déjà en 2008 l’emploi d’un empilement de couches de silicium séparées par du vide. Une telle structure constitue un cristal photonique qui, par le jeu des réflexions, diffractions et interférences lumineuses, ne laisse passer que certaines longueurs d’onde et pas d’autres. Maurice Mashaal. 2009.

https://www.pourlascience.fr/sd/physique/un-isolant-thermique-meilleur-que-le-vide-10410.php

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On sait que les transferts d’énergie thermique s’effectuent par conduction (transmission d’énergie cinétique par chocs moléculaires) ainsi que par convection dans les fluides (mise en mouvement par différences de densité). C’est le cas pour le feu de cheminée. Mais on oublie souvent que ce qui nous « chauffe » principalement c’est le rayonnement infrarouge émis par les braises et les flammes très chaudes.

Ainsi, selon la loi de Wien, une braise à la température de 800 °C (1073 Kelvin) produit un ensemble de rayonnements électromagnétiques dont l’amplitude maximum correspond à la longueur d’onde donnée par l’expression suivante :

wien

spectre 800K

Spectre d’émission à 800 °C

Ceci correspond justement au domaine des infrarouges susceptibles d’être absorbés par les liaisons atomiques des molécules qui constituent notre peau. Ainsi les liaisons C-H et O-H (présentes dans l’eau et les molécules organiques) absorbent respectivement dans les domaines de longueur d’onde de 3375 – 3510 et de 2740 – 2780 nm. L’absorption de ces photons produit une augmentation de l’énergie de vibration des liaisons concernées et dons à l’accroissement de l’énergie thermique de la matière absorbante : ça chauffe !

On sait que les rayonnements électromagnétiques, tels que les infrarouges, se propagent dans le vide. Ce dernier n’est donc pas un « isolant thermique ». L’utilisation des cristaux photoniques, s’ils sont adaptés à la réflexion des infrarouges, s’avère prometteuse pour l’isolation thermique.

Les travaux proposés ici permettent d’aborder ces différentes questions.

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (8)).

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Partie 1. Feu de bois.

Document de travail : [0 spectres IR.pdf].

emission absorption

mode_transfert_thermique_conduction_convection_rayonnement

 

Documents complémentaires éventuels (diapos) : [ondes electromagnetiques.pptx] ; [IR.pptx] ; [quantification molecule.pptx]. 

 

oem

domaines

On pourra également consulter :

 http://www.cea.fr/multimedia/Pages/videos/culture-scientifique/physique-chimie/decouverte-infrarouges.aspx

 

herschel

 

A l’issu du travail de groupe la présentation des affiches, avec animation tableau permet la discussion et les mises au point.

Conversions : énergie « chimique » (énergies potentielles d’interactions électriques au niveau atomique) → énergie thermique (énergie cinétique de atomes et molécules)  photons infrarouges et autres (produits par des transitions de niveaux d’énergie moléculaires)  absorption des photons et transition de niveaux de vibration de liaisons des molécules de la peau  énergie thermique (ça « chauffe »).

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Partie 2. Miroir de Bragg et cristaux photoniques.

Document de travail : [0 miroir de Bragg.pdf].

miroir bragg

Documents à exploiter : [onde.pdf] ; [réflexion transmission.pdf] ;
[interférences.pdf] ;
[isolant.pdf] ; [cristaux photoniques.pdf].

 

onde_gif

onde

reflexion transmission

interferences

cristaux1

cristaux2

isolant

Comme pour la partie 1, à l’issu du travail de groupe la présentation des affiches, avec animation tableau permet la discussion et les mises au point.

La propagation dans chaque lame introduit un déphasage de – 2π : en effet – 2πx/λ = – 2πe/λ – 2πe/(λ0/n) = – 2πen/λ0 = – 2π/4 = – π/2  puisque le système est tel que : e . n = e. n= e2 . n2 = λ0/4

La transmission par un dioptre n’introduit pas de déphasage, de même que la réflexion sur un dioptre tel que n2 < n1. Par contre la réflexion sur un dioptre tel que n2 > n1 introduit un déphasage supplémentaire de -π (voir R1, R3 et R5 comparés à Ret R4).

corrige

Tous les rayons réfléchis ressortent en phase avec le rayon incident ; il y a donc interférence constructive. L’énergie transportée par les photons est donc (presque) totalement restituée au milieu pour la bande de longueur d’onde autour de λ0 (résultats de l’étude complète).

Le cristal photonique, miroir de Bragg amélioré est donc un meilleur isolant que le vide : en effet les infrarouges peuvent se propager dans le vide, alors qu’ils sont presque totalement réfléchis par le cristal photonique.

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier énergie (8)).

docs1

docs2

docs3

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