Cours de Première – Couleur des corps chauffés – Physique chimie
Les sources primaires de lumière émettent de la lumière par elles-mêmes.
Les sources secondaires se contentent de renvoyer, selon leur couleur, une partie de la lumière reçue.
Cependant, est ce que c’est la seule différence entre ces deux types de source ?
Notion de rayonnement thermique
- Un corps noir est un objet idéalisé qui absorbe toutes les radiations lumineuses envoyées sur lui. Ainsi, on admet qu’il n’émet que des rayonnements qui lui sont propres. On le considère comme une source primaire de lumière. A température ambiante, le corps noir n’émet pas de radiations visibles, c’est bien pour cela qu’il est nommé corps noir. Par contre, il émet un rayonnement infrarouge. C’est son rayonnement thermique.
En augmentant la température du corps noir, l’intensité moyenne du rayonnement augmente. En parallèle, les valeurs des longueurs d’onde les plus émises tendent à diminuer, en se rapprochant progressivement du visible. Vers une température d’environ 1000°K, une lumière rouge est émise par le corps. Dans la pratique, il est courant d’associer ce modèle du corps noir aux objets suivant ce comportement. Ainsi, ce rayonnement est observable si on chauffe du métal comme le fer, ou avec la lave d’un volcan.
Bien qu’un corps chauffé rayonne dans toutes les longueurs d’onde, il émet préférentiellement dans un domaine particulier.
- Pour chaque courbe, l’intensité lumineuse passera par un maximum pour une longueur d’onde qui sera notée . C’est la longueur d’onde la plus rayonnée. Elle est reliée à la température du corps rayonnant par une relation, nommée loi du déplacement de Wien, ou plus simplement loi de Wien :
La longueur d’onde est exprimée en mètre. La température T est en Kelvin. La constante est quant à elle en m.K (mètre Kelvin). Une température en degré Kelvin est obtenue en ajoutant 273,15 à la température donnée en degré Celsius.
Exemple
Lorsque la température d’un corps chaud augmente, le spectre de la lumière émise s’enrichit en radiations de plus courtes longueurs d’onde (bleues violettes). Une source à 20°C (293°K) émet surtout des infrarouges :
Exemples d’application
Imagerie thermique:
Aux températures « habituelles » (-10°C ; 50°C), les corps émettent un rayonnement thermique invisible car émis dans l’infrarouge. Ce rayonnement est décrit par le modèle du corps noir et par la loi de Wien. Avec des capteurs sensibles aux infrarouges, capter le rayonnement d’un corps permet ainsi de remonter à sa température.
Pour les êtres vivants homéothermes (qui produisent de la chaleur), comme les humains, le rayonnement infrarouge qu’ils émettront sera un peu différent de celui de l’environnement, car plus chaud. Cela ouvre la voie à l’imagerie thermique, à vocation scientifique, médicale, ou militaire. Ci-après une expérience de vision infrarouge :
Température d’objets chauds :
Pour les corps chauds, lorsque le rayonnement thermique est émis dans le domaine du visible, il faut absolument faire la distinction entre la lumière propre (rayonnement thermique) et lumière réémise (en tant que source secondaire de lumière).
Une voiture rouge n’est pas plus froide qu’une voiture bleue !
Par contre, certains corps suivront correctement le modèle du corps noir, comme les métaux : sidérurgie (métal en fusion), lampes à incandescence, etc. En astrophysique, le modèle s’applique bien aux étoiles. Connaître le spectre d’une étoile permet de trouver sa température de surface, par loi de Wien.
Température de couleur:
Par définition, la température de couleur d’un corps émetteur de lumière est la température qu’aurait un corps noir pour émettre un spectre similaire, ou au moins la même couleur. La température de couleur établit ainsi une correspondance entre une couleur et une température :
La température de couleur est étendue à toute source de lumière, que le corps émette de la lumière par rayonnement thermique ou par d’autres phénomènes physiques.
Par exemple, une diode électroluminescente peut émettre du bleu sans chaleur et avoir une température de couleur élevée, puisque le bleu se situe après 7000 °K.
La température de couleur d’une source de lumière artificielle blanche permet d’apporter une indication sur l’aspect de la lumière générée. Un luminaire à faible température de couleur tendra vers des nuances rouges, alors qu’une source à haute température de couleur tendra vers le bleu. La lumière du jour, avec le Soleil au zénith, est quant à elle aux alentours de 6000 °K. Une source lumineuse artificielle présentant une telle valeur sera susceptible de bien reproduire la lumière du jour.
