Le capteur héliothermique

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1 Le capteur héliothermique Un capteur héliothermique est un appareil qui permet de transformer l énergie du rayonnement solaire en énergie calorifique ( chaleur ). 1. Le rayonnement solaire Le soleil est un corps donc la température à sa surface ( la photosphère ) est d environ C. Cette surface incandescente émet des radiations, des ondes électromagnétiques. Elle envoie de l énergie. Une onde électromagnétique est définie par sa longueur d onde ( λ ) ou sa fréquence ( le nombre d oscillation par mètre ). Plus sa longueur d'onde est courte (petite), plus sa fréquence est grande ( le nombre d ondes par mètre ). La fréquence correspond à la force, la puissance, l énergie de la radiation. Le plus souvent, une longueur d'onde ( λ ) se mesure en nanomètre ( 1 nm = 1 millionième de millimètre ) ou en micromètre ( 1 µm = 0,001 millimètre ). L unité utilisée pour la fréquence est le Hertz ( Hz ) ( 1 Hz = 1 oscillation par mètre ). Type de rayonnement Longueur d onde ( λ ) Fréquence ( Hz ) Les ondes radio à 10 mètres - Les micro-ondes à 0,1 millimètres Le rayonnement infrarouge 100 à 0,77 µm La lumière visible 0,77 à 0,39 µm Le rayonnement ultraviolet 390 à 1 nm Les rayons X 1 à 0,01 nm Les rayons gamma 0,01 à 0, nm

2 Le spectre solaire La gamme de λ des radiations solaires est principalement comprise entre 0,25 et 4 µm, avec un maximum à 0,5 µm En réalité, par suite de phénomènes d absorption atmosphérique, les rayons solaires arrivant au sol se situent uniquement entre 0,28 et 2,5 µm ( soit 1% d ultraviolet, 39% de lumière visible et 60% d infrarouge ). 2. Les éléments constitutifs d un capteur héliothermique Les principes de base du fonctionnement d un capteur héliothermique reposent sur les modes de propagation de la chaleur et sur le mécanisme des échanges d énergie par rayonnement

3 3. Les modes de propagation de l énergie calorifique: LA CONDUCTION - LA CONVECTION - LE RAYONNEMENT La chaleur représente la quantité d énergie dégagée par l agitation des molécules ( par la vibration des molécules dans un solide ou liquide ou par déplacement dans un fluide (liquide ou gaz). La température mesurée représente le niveau d agitation des molécules. La chaleur ou énergie calorifique peut être transmise d un endroit à un autre selon trois procédés différents : 3.1 La conduction Les corps transmettent la chaleur de proche en proche dans l intérieur de leur masse, sans déplacement de la matière. Ce mode de transmission de l énergie se fait par contact entre les molécules, par passage direct d une molécule à une autre molécule. Les vibrations d une molécule vont secouer les molécules voisines. Dans ce mode de transport, la chaleur se propage lentement. Le transfert d énergie d un corps à un autre ne peut se faire que par contact. Exemples : - 3 -

4 3.2 La convection Mode de transmission par mouvement, déplacement naturel d un fluide caloporteur. Ce déplacement est provoqué à la suite d une variation de la densité du liquide ou du gaz lorsqu il est chauffé. Cette différence de densité provoque des mouvements ascendants et descendants du fluide qui permettent un transport de l énergie calorifique d un lieu à un autre relativement éloigné. La source de chaleur doit toujours être située dans le bas. Exemples : 3.3 Le rayonnement Le rayonnement est une transmission d énergie qui ne nécessite pas l intermédiaire de la matière : elle a également lieu dans le vide. La transmission se fait par émission d ondes électromagnétiques (de rayons), c est à dire la production de particules énergétiques appelées des «photons». Plus la longueur d onde de la radiation est courte (= plus la fréquence est élevée), plus le rayonnement est énergétique. Avec ce procédé, l énergie peut être transportée sur de très grande distance selon la puissance et de la fréquence de l onde. Exemples : Classer les exemples suivants dans le ou les modes de transport concernés : le soleil, une casserole, un radiateur à bain d huile, un cuiseur à vapeur, un feu ouvert, un four électrique, une couverture chauffante, un four à micro-ondes, une bouillotte, une pommade chauffante, un barbecue, un chauffe essuies, le chauffage central, une bougie, - 4 -

5 4. Le mécanisme des échanges d énergie par rayonnement : L EMISSION - L ABSORPTION - LA REFLEXION - LA TRANSPARENCE Le rayonnement est une transmission d énergie qui ne nécessite pas l intermédiaire de la matière : elle a également lieu dans le vide. Dans le vide, un rayonnement ( lumière, chaleur, radio) se propage très vite en ligne droite et dans toutes les directions, à la vitesse de km/s ( = vitesse de la lumière ). Les rayonnements de lumière et de chaleur sont des phénomènes identiques, de même nature, qui se comportent de la même manière. Tout corps émet un rayonnement d énergie et en reçoit également des autres corps. Lorsqu un rayonnement ( lumière, chaleur ) arrive en contacte avec la surface d un corps, une partie de celui-ci est absorbée par le corps, une partie peut être réfléchie, et une partie peut aussi traverser le corps La température d un corps s élève ou s abaisse suivant que l énergie rayonnante absorbée est supérieure ou inférieure à l énergie émise par rayonnement. 4.1 L émission La quantité d énergie rayonnante ( lumière, chaleur ) émise par un corps dépend en premier de la température de ce corps. A basse température, celui-ci produit uniquement du rayonnement infrarouge, I.R., ( des rayonnements de chaleur) mais au-delà d une certaine température, il émettra un plus du rayonnement lumineux. A très haute température, il pourra également produire du rayonnement ultraviolet, U.V.. Un radiateur qui chauffe à basse température émet du rayonnement infrarouge que nous pouvons sentir à plusieurs centimètres. Par contre, la plaque de cuisson d une cuisinière électrique qui doit s échauffer davantage, commencera à rougir lorsqu elle atteindra une certaine température

6 Dans une lampe, plus le filament sera chauffé ( par l électricité : le passage de plus en plus rapide des électrons ), plus la lumière produite par le filament sera blanche. Contrairement aux ampoules classiques à incandescence qui donnent une lumière jaunâtre, les lampes halogènes qui ont une température bien plus élevée produisent une lumière bien plus blanche, plus proche de celle du soleil. Certaines lampes aux vapeurs de mercure ou d iode produisent même du rayonnement ultraviolet. La quantité d énergie (chaleur) rayonnée par un corps dépend également de la nature de la surface du corps. Un corps recouvert de noir de fumée rayonne beaucoup plus intensivement qu un corps dont la surface est polie. On dit qu il a un plus grand pouvoir émissif. Par conséquent, pour conserver un liquide longtemps chaud, il faudra le mettre dans un récipient dont la surface extérieure est polie ( la bouteille du thermos ). Une couverture de survie est argentée ou dorée de manière à réduire au minimum les pertes de chaleur de la personne à protéger. Par contre, un poêle en fonte ne doit jamais être émaillé, mais bien rester noir mat, si on veut qu il émette un maximum de chaleur

7 4.2 L absorption Un corps absorbe une fraction plus ou moins grande de l énergie rayonnée qui tombe sur sa surface ; on dit qu il a un pouvoir absorbant plus ou moins grand. L énergie non absorbée peut avoir été totalement ou partiellement réfléchie à la surface du corps : c est le phénomène de réflexion ou de diffusion. Mais l énergie non absorbée peut aussi tout simplement, traverser le corps : c est le phénomène de transparence. La quantité d énergie ( chaleur, lumière ) absorbée par un corps dépend de la nature de sa surface. Les corps noirs et rugueux absorbent plus que les corps blancs et polis, ce qui nous montre que les corps ayant un grand pouvoir émissif ont aussi un grand pouvoir absorbant. Les corps les plus faciles à chauffer sont donc aussi plus prompts à se refroidir. Par conséquent, un liquide s échauffera plus vite dans une casserole dont le fond est noirci par un dépôt de suie. En été, les vêtements blancs sont préférables car ils absorbent moins le rayonnement ( chaleur, lumière ) du soleil. Ce pouvoir absorbant n est pas une propriété propre aux corps noirs ou blancs, mais est bien applicable à tous les corps, à toutes les couleurs. Chaque couleur, chaque matériau a son propre pouvoir absorbant. Nous parlerons d absorption sélective. L absorption sélective Certains corps selon leur couleur ou leur matière peuvent avoir une absorption sélective des rayonnements. C est à dire qu ils vont plus ou moins absorber certaines longueurs d onde et vont réfléchir ou laisser passer par transparence certaines autres. C est un des phénomènes qui définit la couleur des choses. Il intervient également dans notre perception des couleurs. Notre œil contient des cellules (les bâtonnets) sensibles à la lumière en général et trois types de cellules (des cônes) sensibles chacune une lumière particulière : le rouge, le vert, le bleu

8 Les processus d addition et de soustraction des couleurs Colorier les cercles et les barrettes avec les couleurs correspondantes Nous sommes dans un processus d addition lorsque nous avons trois spots, chacun d une couleur primaire différente ( rouge, vert, bleu ), qui éclairent une surface banche. En ajoutant dans des proportions correctes ces trois couleurs primaires, on peut créer l illusion de n importe quelle autre couleur. Nous sommes dans un processus de soustraction, lorsque nous plaçons des filtres de couleurs différentes devant un spot de lumière blanche. Les filtres contiennent des pigments qui absorbent certaines des couleurs de la lumière blanche qui les traverse à partir de l arrière. En mélangeant dans certaines proportions des pigments primaires ( le magenta, le bleu cyan et le jaune), toutes les couleurs peuvent être obtenues, sauf le blanc. ( le principe du mélange des peintures ). Une couleur obtenue par l addition de deux couleurs primaires quelconque est appelée couleur secondaire. Une couleur de pigment obtenue par mélange de deux pigments de couleur primaire est appelé pigment de couleur secondaire. Vous constaterez que les couleurs secondaires obtenues par addition correspondent aux pigments primaires

9 4.3 La réflexion ou la diffusion Une fraction plus ou moins grande de l énergie rayonnante qui tombe à la surface d un corps est renvoyée, avec un changement brusque de direction. Si la surface est polie, il y a réflexion (effet miroir) tous les rayons sont envoyés dans une même direction. Si la surface est mate ou rugueuse, ces rayonnements sont renvoyés irrégulièrement dans toutes les directions. C est ce qu on appelle la diffusion. Les métaux polis réfléchissent la plus grande partie d énergie rayonnante qui frappe leur surface. Comme la plupart des autres corps, une plante ne produit pas de lumière. Elle n est visible que parce qu elle réfléchit la lumière. Dans l obscurité, elle est totalement invisible. Si la plante nous apparaît de couleur verte, c est parce que sa chlorophylle a absorbé les rayons de longueur d onde correspondants à la couleur rouge et la couleur bleu. Non absorbé, le rayonnement de couleur verte est réfléchi et pénètre dans notre œil. La quantité d énergie ( chaleur, lumière ) réfléchie par un corps dépend de la nature de la surface de ce corps

10 4.4 La transparence De même qu il existe des substances transparentes pour la lumière, il y a des substances qui sont transparentes pour la chaleur rayonnante, c est à dire qui se laissent traverser par la chaleur rayonnante sans s échauffer sensiblement : c est le cas de l air sec. Au contraire, d autres substances, comme les métaux, absorbent et réfléchissent ou diffusent la chaleur rayonnante, au lieu de la laisser traverser. Le verre est transparent pour les radiations visibles, émises par les corps chauds lumineux ( soleil, feu ouvert, lampe) mais ne l est pas pour les radiations invisibles, émises par les corps chauds non lumineux. C est cette propriété qui est utilisée dans les serres : la chaleur émise par le sol chaud ne traverse pas le verre. Etant donné que lors du passage dans un corps transparent, nous pouvons avoir des phénomènes de réfraction, la quantité d énergie qui traversera le corps sera fonction du coefficient de réflexion superficielle et donc de l angle d incidence du rayonnement ( voir chapitre précédent ). La quantité d énergie ( chaleur, lumière ) qui traverse un corps dépend de la nature même de ce corps et de l angle d incidence du rayonnement

11 Réflexion et réfraction chez les corps transparents. Mais ce phénomène de réflexion existe également chez les corps dis «transparents». La réflexion d une onde est le brusque changement de direction que subit un rayon lorsqu il rencontre une surface. Loi de la réflexion : - Le rayon incident ( celui qui arrive ) ( RI ), le rayon réfléchi ( RR ) et la normale ( la perpendiculaire ) ( N ) à la surface sont dans un même plan. - L angle de réflexion ( l angle entre le rayon réfléchi et la normale ) est égal à l angle d incidence ( l angle entre le rayon incident et la normale ). La réfraction d une onde est le brusque changement de direction que subit un rayon (rayon incident) lorsqu il traverse obliquement la surface de séparation entre deux milieux transparents (ex : l air et le verre). Après la réfraction, le rayon appelé le rayon réfracté. Ce rayon se rapproche ou s éloigne de la perpendiculaire à la surface de séparation suivant qu il passe dans un milieu plus ou moins réfringent que le premier. Loi de la réfraction : - le rayon incident ( RI ), le rayon réfracté ( RR b ) et la normale ( N ) sont dans un même plan. - Pour deux milieux déterminés, les angles que font ces rayons avec la normale sont dans un rapport constant quel que soit l angle incident. Sin ( RR b -N) = Sin ( RI-N ) / n Cette constante ( n = n 2 / n 1 ) s appelle l indice de réfraction du second milieu par rapport au premier. Le second milieu est plus réfringent que le premier si l indice est inférieur à 1 ( ex. : indice de l air à l eau = 3/4 = 0,75 ; l indice de l eau à l air = 4/3 = 1.25 ; l indice de l air au verre = 2/3 = 0.66 ; indice du verre à l air = 3/2 = 1,5 ). L eau et le verre sont donc plus réfringent que l air. Le trajet des rayons est indépendant du sens de propagation

12 L angle limite de réfraction Lorsque le rayon passe d un milieu plus réfringent à un milieu moins réfringent, le rayon réfracté ( RR b ) se rapproche de la normale ( N ). Dans le cas contraire ( par exemple pour passer du verre dans l air), le rayon réfracté s éloigne de la normale. Dans ce cas, il arrivera un moment où le rayon réfracté sera confondu avec la surface de séparation entre les deux milieux. Au delà de cet angle d incidence, appelé l angle limite de réfraction, le rayon sera réfléchi sur la surface de séparation et ne pénétrera plus dans le second milieu. C est cette propriété qui est utilisée dans les fibres optiques. Le faisceau de lumière reste prisonnier dans la fibre. Lorsque son angle d incidence est supérieur à 42, il est sans cesse réfléchi par les parois intérieures jusqu à l extrémité de la fibre d où il pourra sortir. En réalité, le passage au régime de la réflexion totale se fait progressivement. Au fur en à mesure que l angle d incidence augmente, nous avons une augmentation du phénomène de réflexion superficielle. L intensité du faisceau réfléchi augmente et celle du rayon réfracté diminue. On parle du coefficient de réflexion du second milieu. La quantité d énergie ( chaleur, lumière ) réfléchie par un corps dépend de la nature même de ce corps et de l angle d incidence du rayonnement

13 5. Le mécanisme des échanges d énergie par conduction Dans un échange d énergie par conduction, le corps transmet l énergie de proche en proche, à l intérieur de sa masse, sans déplacement de la matière. Dans ce mode de transmission, l énergie est échangée de molécule à molécule. C est donc un mode de propagation très lent. Tous les corps ne conduisent pas l énergie de manière équivalente. Il y a de bon conducteur comme les métaux et de mauvais conducteur comme le bois, la laine,. Le pouvoir conducteur va varier selon la nature de la substance. Lorsqu il s agit du transport d énergie électrique, on parle généralement de la conductivité du matériau, tandis que lorsqu il s agit d un échange d énergie calorifique (chaleur), on parle plutôt de la conductibilité du matériau. Mais, la propriété recherchée dans un matériau n est pas toujours sa propension à conduire l énergie calorifique. Dans certains cas, la propriété recherchée est plutôt sa faible propension à transporter l énergie, c est ce qu on appelle son pouvoir isolant. Le pouvoir isolant ( λ ) d un matériau est donc inversement proportionnelle à sa conductivité. Plus la quantité d énergie transférée par unité de temps est faible, plus le pouvoir isolant du matériau est grand. Le produit qui a une faible conductivité a un grand pouvoir isolant. La quantité d énergie transférée par unité de temps va dépendre de l étendue de la surface ( m² ) d échange. 1 m² de mur va transférer plus d énergie que 1/2 m² de ce même mur. La quantité d énergie transférée par unité de temps va dépendre de l épaisseur ( m ) de matériau à traverser. Lors du transfert d énergie de molécule à molécule, chaque molécule selon sa nature va conserver une part plus ou moins importante de cette énergie. Plus il y aura de molécules, c est à dire plus l épaisseur de matériau à traverser sera grande, moins il y aura d énergie transférée. La quantité d énergie transférée par unité de temps va dépendre de l écart de température ( C ) entre les deux surfaces du matériau. λ = calorie/m² x m x C

14 6. Principe de fonctionnement d un capteur héliothermique