Chapitre 3 – Rayonnement thermique | Terminale Bac Pro ERA-MA | Physique-Chimie | ⏱ 50 min
Dernière mise à jour : 5 mai 2026, 19:15
Antoine est concepteur de mobilier chez Espace Design Intérieur à Toulouse. Son client veut aménager un showroom de 120 m² avec de grandes baies vitrées (40 m² de vitrage) pour exposer ses créations en lumière naturelle. Mais le client veut aussi limiter la surchauffe en été et les pertes de chaleur en hiver. Antoine doit choisir entre 3 types de vitrages.
| Source | Température | Rayonnement principal |
|---|---|---|
| Soleil | 5 800 K | Visible + IR proche + UV |
| Mur intérieur showroom | 20 °C = 293 K | Infrarouge lointain |
| Sol asphalté en été | 60 °C = 333 K | Infrarouge lointain |
Constante de Wien : b = 2,898 × 10⁻³ m·K.
| Caractéristique | Simple | Double standard | Double contrôle solaire |
|---|---|---|---|
| Facteur solaire g | 0,85 | 0,65 | 0,35 |
| Transmission lumineuse | 90 % | 80 % | 60 % |
| Émissivité (Low-E) | 0,89 | 0,15 | 0,10 |
| Coefficient U (W/m²·K) | 5,8 | 1,4 | 1,1 |
| Prix (€/m²) | 40 | 120 | 180 |
📚 Cette activité s'appuie sur §1 (rayonnement et loi de Wien), §2 (effet de serre) et §3 (vitrage et performances thermiques) de la leçon Ch03.
a) Quelle est la température du Soleil ? Et celle du mur intérieur du showroom ?
b) Le rayonnement du Soleil est-il principalement visible ou infrarouge ? Et celui du mur ?
a) Soleil : T = 5 800 K. Mur : T = 20 °C = 293 K.
b) Soleil : visible (+ IR proche + UV). Mur : infrarouge lointain, invisible à l'œil.
Appliquer la loi de Wien : λmax = b / T.
a) λmax du Soleil (T = 5 800 K). Exprimer en nm.
b) λmax du mur (T = 293 K). Exprimer en µm.
a) λmax = (2,898 × 10⁻³) / 5 800 = 5,0 × 10⁻⁷ m = 500 nm. Domaine visible (jaune-vert).
b) λmax = (2,898 × 10⁻³) / 293 = 9,9 × 10⁻⁶ m ≈ 10 µm. Domaine infrarouge lointain, bien au-delà du visible (700 nm).
a) Le sol asphalté en été (T = 333 K) émet-il un rayonnement visible ou IR ? Calcul.
b) Pourquoi ne « voit-on » pas le rayonnement thermique d'un bâtiment, alors qu'une caméra thermique le détecte ?
a) λmax = (2,898 × 10⁻³) / 333 = 8,7 × 10⁻⁶ m = 8,7 µm → IR. Le sol même chaud émet un rayonnement invisible à l'œil.
b) Les bâtiments émettent dans l'IR lointain (~ 10 µm). L'œil humain ne perçoit que 400 à 700 nm → on ne voit pas. La caméra thermique a un capteur spécial (microbolomètre) qui détecte les IR et les traduit en image colorée.
Compléter l'explication de l'effet de serre :
Le verre laisse passer le visible mais bloque l'IR : c'est ce qui crée l'effet de serre dans une véranda et explique le réchauffement climatique (CO₂ joue le rôle du verre dans l'atmosphère).
Relever dans le Doc 3 le facteur solaire g et l'émissivité de chaque vitrage.
| Vitrage | g | Émissivité |
|---|---|---|
| Simple | 0,85 | 0,89 |
| Double standard | 0,65 | 0,15 |
| Double contrôle solaire | 0,35 | 0,10 |
Calculer la puissance solaire entrante pour chaque vitrage : P = g × E × S (E = 600 W/m², S = 40 m²).
Le contrôle solaire divise par 2,4 la puissance entrante par rapport au simple vitrage.
Le client veut un showroom lumineux mais sans surchauffe.
a) Quel vitrage limite le plus la surchauffe ? Inconvénient pour l'éclairage ?
b) Le simple vitrage est-il envisageable ? Justifier (au moins 2 arguments).
a) Le double contrôle solaire (g = 0,35, 8,4 kW). Inconvénient : transmission lumineuse réduite à 60 % (vs 80-90 % pour les autres) → éclairage naturel un peu moins intense.
b) Simple vitrage : impossible.
Rédiger une recommandation (5 lignes) pour Antoine. Quel vitrage choisir ? Justifier avec rayonnement, g, émissivité.
Recommandation — vitrage showroom 40 m²
Choix : double vitrage à contrôle solaire (180 €/m²).
Faible facteur solaire (g = 0,35) → seulement 8,4 kW d'apport solaire en été (vs 20,4 kW en simple vitrage), réduisant fortement la surchauffe et les coûts de climatisation.
Très faible émissivité (0,10) grâce à la couche Low-E → empêche le rayonnement IR intérieur de s'échapper en hiver, gardant la chaleur à l'intérieur.
Transmission lumineuse 60 % suffisante avec un éclairage LED d'appoint. Surcoût (180 vs 40 €/m² = 5 600 € sur 40 m²) amorti en 3-5 ans par les économies d'énergie.
Comment fonctionne le vitrage à contrôle solaire à l'échelle moléculaire ? Pourquoi peut-il bloquer l'IR sans bloquer le visible ?
Le verre standard est composé de SiO₂ (silice). Il est transparent au visible (400-700 nm) car les électrons de la silice n'absorbent pas dans cette gamme. En revanche, il absorbe l'IR lointain (> 5 µm) car les vibrations moléculaires Si-O résonnent dans cette gamme.
Pour le contrôle solaire, on dépose sur le verre une couche métallique ultra-fine (typiquement argent ou oxyde d'étain, épaisseur ~ 10 nm). Effets :
Le vitrage à contrôle solaire est donc un compromis subtil entre transmission (visible nécessaire pour la lumière) et réflexion (IR bloqué). C'est la même idée pour les vitres teintées des voitures (couche métallique réfléchissante).
Évolutions récentes :
Pour Antoine : la technologie de vitrage évolue rapidement. Préconiser systématiquement aux clients d'opter pour la dernière norme (RE2020) et les solutions Low-E avec couche métallique pour optimiser confort + économies.