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RÉSUMÉ
L’émissivité thermique d’un matériau est un facteur qui intervient dans toutes les mesures de température par pyrométrie et par rayonnement. Il dépend de la nature du matériau lui-même, de l’angle d’émission et de la polarisation du rayonnement émis, mais aussi de l’état de surface. Cet article étudie l’interprétation physique de ce phénomène, ces méthodes de mesure et donne des exemples de résultats expérimentaux sur les matériaux lisses.
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Philippe HERVÉ : Docteur ès Sciences - Professeur à l’Université Paris X - Directeur du Laboratoire d’énergétique et d’économie d’énergie
INTRODUCTION
L’émission de rayonnement thermique d’une surface solide ou liquide dépend de la température, de la longueur d’onde, mais aussi d’un facteur compris entre 0 et 1 appelé émissivité.
Les échanges thermiques par rayonnement, les mesures de température par pyrométrie nécessitent donc la connaissance de ce facteur, qui dépend lui‐même de la nature du matériau, de l’angle d’émission, de la polarisation du rayonnement émis et enfin de l’état de surface. L’influence de ces différents paramètres sera examinée dans le présent article, qui complète l’article Température de surface : mesure radiative « Température de surface. Mesure radiative ».
Pour avoir une connaissance plus complète des phénomènes physiques de base, on pourra se référer aux ouvrages généraux [1] [2] [4] [5] cités dans la fiche Mesure de l’émissivité thermique[Doc. R 2 737].
Dans le recueil de données de Y.S. Touloukian et D.P. De Witt [3], on trouvera l’émissivité (facteur d’émission) de nombreux matériaux conducteurs et diélectriques, les mesures ayant été réalisées par de nombreux expérimentateurs. La divergence des résultats obtenus sur un même matériau surprend au premier abord. En fait, cette multiplicité des résultats est due à la composition chimique des échantillons et à la variété infinie des états de surface. Il sera donc nécessaire de ne pas se contenter de valeurs bibliographiques et d’effectuer des mesures sur un échantillon du matériau, en étudiant en même temps sa composition chimique et son état de surface. Nous examinerons plusieurs méthodes de mesure, directes ou indirectes, de l’émissivité.
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Définitions de l’émissivité5. Influence de l’état de surface sur l’émissivité
Les exemples précédents correspondent à l’émission de matériaux homogènes dont la surface est plane. En pratique, dans la majorité des cas rencontrés dans l’industrie, les surfaces sont rugueuses et le matériau est rarement homogène, souvent à cause de l’oxydation.
La variété de la géométrie des surfaces et de leur état physico-chimique est infinie, et le plus gros recueil de données ne pourrait en présenter qu’un échantillonnage très faible. Doit-on désespérer ? En fait, on peut séparer les effets dus à l’état physico‐chimique de ceux dus à la forme géométrique de la surface et donner quelques lois fondamentales permettant de prévoir les effets de l’état de surface.
5.1 Influence de l’état chimique de la surface
De nombreux matériaux ont une « histoire » et les derniers micromètres proches de la surface peuvent présenter une hétérogénéité physique.
Prenons le cas le plus fréquent rencontré dans l’industrie, celui d’un métal oxydé. Que mesure‐t‐on : l’émission du métal caractérisé par une faible émissivité ou l’émission de la mince couche d’oxydes de forte émissivité (figure 23) ?
Le facteur important est la transmittivité de la couche d’oxydes donnée par l’expression :
avec :
- e :
- épaisseur de la couche
- χ :
- indice d’extinction
- τ :
- transmittivité.
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