Présentation
Auteur(s)
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Magdeleine HUETZ-AUBERT : Docteur ès Sciences - Directeur de Recherche Émérite au Centre National de la Recherche Scientifique
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Sorïn KLARSFELD : Docteur de l’Université de Paris - Ancien Chef de Laboratoire à Saint-Gobain Recherche
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Philippe de DIANOUS : Ingénieur de Recherche, ISOVER Saint-Gobain, CRIR, Rantigny (pour l’annexe 2)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Ce texte fait suite à l’article consacré au rayonnement thermique des matériaux opaques [1]. Pour ces derniers, les interactions rayonnement-matière, c’est‐à‐dire les processus de réflexion, d’absorption et d’émission sont considérés comme des phénomènes de surface ou d’interface.
Un milieu semi-transparent (MST) est susceptible, non seulement de réfléchir à sa « surface » une fraction d’un rayonnement incident, mais aussi sur une distance appréciable, voire sur toute son épaisseur, d’absorber, de diffuser ou de transmettre l’autre fraction et simultanément d’émettre. Une étude de la propagation du rayonnement à l’intérieur de la matière, inutile pour les matériaux opaques, est donc indispensable dans le cas d’un MST.
Les définitions des grandeurs physiques (coefficients, facteurs monochromatiques...) et les équations (équation de transfert radiatif, bilan de flux pour le MST...) des trois premiers paragraphes sont valables pour tous les MST. Mais les particularités physiques propres aux milieux gazeux avec ou sans particules et leurs conséquences sur le traitement théorique ne seront pas examinées ici et feront l’objet d’un autre article. Les exemples de caractéristiques radiatives 1, d’approximations 4 et d’applications 5 sont réservés à des matériaux denses, solides ou liquides ; de même, seul le couplage du rayonnement avec la conduction est examiné. Autrement dit, le présent article est orienté essentiellement vers ce que l’on appelle, non plus milieux, mais matériaux semi-transparents (également MST) sous deux formes possibles : l’une, dite en masse ou en bloc, concerne par exemple les verres, les céramiques, les semi-conducteurs, les matières plastiques ; l’autre, qualifiée de divisée, comporte plusieurs phases comme les matériaux poreux où le fluide interstitiel reste immobile.
Traitée dans certains laboratoires spécialisés (voir « Pour en savoir plus Rayonnement thermique des matériaux semi-transparents »), l’étude de la propagation du rayonnement dans un MST est un problème complexe tant du point de vue physique que mathématique. Si l’on excepte certains matériaux comme les verres et malgré les techniques expérimentales actuellement disponibles [2], [5], les données sur les caractéristiques radiatives sont rares et les conditions de leur obtention mal définies. Quant à la résolution numérique des équations, elle est abordée dans des géométries particulières et avec des hypothèses simplificatrices, portant entre autres sur la diffusion, l’idéal étant que cette dernière soit négligeable.
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MST quelconques. Bilans pour le rayonnement et le matériau2. Milieux en masse, homogènes, non diffusants, isothermes, en ETL
Certains milieux considérés dans leur masse, sous forme cristalline, polycristalline ou vitreuse, sont parfaitement homogènes et ne contiennent qu’une seule phase ; il s’agit, par exemple, de gaz sans particules, de liquides sans suspensions, de verres sans impuretés ou bulles. Le phénomène de diffusion est alors négligeable, autrement dit :
. D’une manière générale, cette condition est satisfaite dès que la longueur d’onde λ du rayonnement est très supérieure à la dimension D p caractérisant les particules :
. C’est ainsi que la diffusion moléculaire par les atomes ou les molécules est le plus souvent négligeable en thermique, car elle intervient pour λ < 0,3 µ m.
En l’absence de diffusion, le MST est caractérisé par 3 paramètres radiatifs : n ν , k ν ou κ ν , compte tenu de la relation [6], et η ν . Si, de plus, l’équilibre thermodynamique local (ETL) est réalisé, la validité de l’égalité [8] réduit à 2 le nombre de paramètres indispensables. La connaissance du couple ( n ν , k ν ) est donc à la fois nécessaire et suffisante, ce qui illustre son importance.
Par suite des hypothèses faites dans ce paragraphe, pour une fréquence ν et une température T données, n ν et k ν ou κ ν restent constants dans le milieu considéré. Il est alors possible d’introduire et d’utiliser des facteurs monochromatiques directionnels comparables à ceux définis pour les matériaux opaques [1]...
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