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Rayonnement du corps noir : loi de Wien et loi de Stefan-Boltzmann

À partir d'une température, trouvez la longueur d'onde du maximum d'émission, sa couleur et la puissance rayonnée par mètre carré.

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m²

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Résultats

Longueur d'onde du maximum d'émission

501,5 nm

Lumière verte (le Soleil culmine ici, mais paraît blanc)

Puissance rayonnée par mètre carré

63 200 700 W/m²

Puissance totale rayonnée par cette surface
63 200 700 W
Fréquence du maximum (forme fréquentielle de la loi de Wien)
339,7 THz
Température en kelvins
5 778,00 K

Qu’est-ce qu’un corps noir ?

Un corps noir est un objet idéal qui absorbe tout le rayonnement qu’il reçoit et émet un rayonnement thermique qui ne dépend que de sa température. Les étoiles, le métal chauffé au rouge, le filament d’une ampoule à incandescence et même votre peau se comportent à peu près comme des corps noirs.

Deux lois décrivent ce rayonnement.

La loi de Wien

La longueur d’onde à laquelle un corps noir émet le plus est inversement proportionnelle à sa température absolue :

λmax = 2 897 771,955 nm·K ÷ T

Plus un objet est chaud, plus son pic se déplace vers les courtes longueurs d’onde : c’est pourquoi le métal passe du rouge sombre à l’orange puis au blanc quand il chauffe. En fréquence, le maximum se situe vers 5,879 × 10¹⁰ Hz par kelvin ; ce pic ne correspond pas à la même région du spectre que le pic en longueur d’onde, car les deux spectres sont rapportés à des grandeurs différentes.

La loi de Stefan-Boltzmann

La puissance rayonnée par mètre carré de surface vaut :

M = ε × σ × T⁴

avec σ = 5,670374419 × 10⁻⁸ W/m²·K⁴ et ε l’émissivité, égale à 1 pour un corps noir parfait. À cause de la puissance quatre, doubler la température absolue multiplie la puissance rayonnée par 16.

Exemple : le Soleil

La surface du Soleil est à environ 5 778 K :

Résultat Valeur
Longueur d’onde du maximum 501,5 nm, lumière verte
Puissance par mètre carré 63,2 millions de W/m²
Fréquence du maximum environ 339,7 THz (3,40 × 10¹⁴ Hz)

Bien que son pic soit dans le vert, le Soleil paraît blanc, car il émet fortement sur tout le spectre visible.

Autres exemples

Objet Température Maximum d’émission
Peau humaine environ 307 K (34 °C) environ 9,4 µm, infrarouge
Surface de la Terre environ 288 K environ 10 µm
Filament d’ampoule à incandescence environ 2 700 K environ 1 070 nm, proche infrarouge
Étoile bleue très chaude 20 000 K environ 145 nm, ultraviolet

Les caméras thermiques travaillent dans la bande de 8 à 14 µm justement parce que les objets proches de la température ambiante y rayonnent le plus.

L’émissivité

Une surface réelle rayonne moins qu’un corps noir à la même température. L’émissivité vaut environ 0,95 pour une peinture noire mate, 0,98 pour la peau et moins de 0,1 pour l’aluminium poli : c’est pour cela que les surfaces brillantes trompent les thermomètres infrarouges.

Conseils

  • Vous pouvez saisir la température en kelvins, en degrés Celsius ou en degrés Fahrenheit ; les lois utilisent toujours les kelvins.
  • La puissance calculée est l’émission brute. La perte de chaleur nette d’un objet dépend aussi de ce qu’il reçoit de son environnement.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que la loi de Wien ?

La longueur d'onde à laquelle un corps noir émet le plus est λmax = 2 898 µm·K ÷ T. Plus un corps est chaud, plus son pic est à courte longueur d'onde : le Soleil, à environ 5 778 K, culmine vers 500 nm.

Qu'est-ce que la loi de Stefan-Boltzmann ?

La puissance rayonnée par mètre carré vaut εσT⁴, avec σ = 5,67 × 10⁻⁸ W/m²·K⁴. Doubler la température absolue multiplie la puissance rayonnée par 16.

Pourquoi le Soleil paraît-il blanc s'il culmine dans le vert ?

Le Soleil émet fortement sur tout le spectre visible, et notre œil combine toutes ces couleurs en blanc. Un pic dans le vert ne le rend pas vert.

Qu'est-ce que l'émissivité ?

La capacité d'une surface réelle à rayonner, comparée à un corps noir parfait, de 0 à 1. Une peinture noire mate atteint environ 0,95, la peau humaine environ 0,98 et l'aluminium poli moins de 0,1.

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