Chapitre 3 – Exercices par capacités

La caméra thermique capte le rayonnement infrarouge (IR) émis par les surfaces du mur. Les zones plus chaudes émettent plus de rayonnement IR et apparaissent plus claires sur l'image. Ce rayonnement IR est invisible à l'œil mais capté par le détecteur de la caméra.

Ordre croissant d'énergie (= ordre décroissant de longueur d'onde) :
Micro-ondes < IR thermique < Visible < UV

Le jour, le bois absorbe le rayonnement solaire (principalement visible) et s'échauffe. La nuit, sans apport solaire, le bois (à une température de l'ordre de 20-40°C ≈ 290-310 K) réémet l'énergie accumulée sous forme de rayonnement infrarouge thermique, invisible à l'œil. C'est la même raison pour laquelle les surfaces chaudes semblent « irradier » de la chaleur.

\[T = 25 + 273 = 298 \text{ K}\] \[298^4 = (298^2)^2 = (88\,804)^2 \approx 7{,}886 \times 10^9\] \[P = 0{,}92 \times 5{,}67 \times 10^{-8} \times 2 \times 7{,}886 \times 10^9\] \[= 0{,}92 \times 5{,}67 \times 2 \times 78{,}86 \approx 0{,}92 \times 894{,}2 \approx 822 \text{ W}\] P ≈ 822 W.

Face intérieure (T = 288 K) : \(P_i = 0{,}90 \times 5{,}67 \times 10^{-8} \times 10 \times 288^4\)
\(288^4 \approx 6{,}883 \times 10^9\)
\(P_i \approx 0{,}90 \times 5{,}67 \times 10^{-7} \times 6{,}883 \times 10^9 \approx 0{,}90 \times 5{,}67 \times 6883 \approx 0{,}90 \times 39\,027 \approx 3\,512 \text{ W}\)
Face extérieure (T = 278 K) : \(278^4 \approx 5{,}986 \times 10^9\)
\(P_e \approx 0{,}90 \times 5{,}67 \times 10^{-7} \times 5{,}986 \times 10^9 \approx 0{,}90 \times 33\,940 \approx 3\,055 \text{ W}\)
Flux net vers l'extérieur : \(\Delta P = P_i - P_e \approx 3\,512 - 3\,055 = 457 \text{ W}\)
ΔP ≈ 457 W de pertes radiatives à travers ce mur.

\(P \propto T^4\) : si \(T \to 2T\), alors \(P \to (2T)^4 = 16T^4\).
La puissance rayonnée est multipliée par 16.

Étape 1 – Absorption solaire : Le Soleil émet principalement dans le visible. Ce rayonnement traverse l'atmosphère et est absorbé par la surface terrestre qui se réchauffe.
Étape 2 – Réémission IR : La Terre, à environ 288 K, réémet de l'énergie sous forme de rayonnement infrarouge. Les gaz à effet de serre (H₂O, CO₂, CH₄…) absorbent ce rayonnement.
Étape 3 – Renvoi vers la Terre : Les GES réémettent l'énergie IR dans toutes les directions, dont une partie vers la Terre. Cet apport d'énergie supplémentaire élève la température de surface (de −19°C à +15°C en moyenne).

Le verre est transparent au rayonnement solaire (visible) qui entre dans la serre et réchauffe le sol et les plantes. Ces surfaces réchauffées réémettent un rayonnement infrarouge, mais le verre est opaque à l'IR : il empêche ce rayonnement de sortir. L'énergie est piégée à l'intérieur, ce qui maintient une température plus élevée, même par temps nuageux (énergie diffuse toujours absorbée).

1. CO₂ : combustion des engins de chantier et de transport du bois (camions, chariots élévateurs).
2. CH₄ (méthane) : décomposition de déchets de bois non traités en décharge.
3. N₂O (protoxyde d'azote) : production d'énergie thermique pour le séchage du bois en étuve utilisant des combustibles fossiles.

\[P_{\text{abs}} = (1 - 0{,}30) \times \frac{1\,361}{4} = 0{,}70 \times 340{,}25 \approx 238 \text{ W/m}^2\] P_abs ≈ 238 W/m².

\[T^4 = \frac{238}{5{,}67 \times 10^{-8}} \approx 4{,}20 \times 10^9\] \[T = (4{,}20 \times 10^9)^{0{,}25} \approx 254 \text{ K} \approx -19°C\] Sans effet de serre, la Terre serait à −19°C. L'effet de serre naturel apporte +34°C pour atteindre +15°C en moyenne.

\[P'_{\text{abs}} = (1 - 0{,}28) \times \frac{1\,361}{4} = 0{,}72 \times 340{,}25 \approx 245 \text{ W/m}^2\] L'augmentation de 238 à 245 W/m² (+7 W/m²) crée un déséquilibre radiatif : la Terre absorbe plus qu'elle n'émet. Elle doit élever sa température d'équilibre pour réémettre davantage. La déforestation amplifie ainsi le réchauffement climatique par diminution de l'albédo.

– Le bois stocke le CO₂ atmosphérique absorbé par l'arbre durant sa croissance. Ce carbone reste immobilisé dans la structure du bâtiment pendant des décennies.
– La production du bois d'œuvre émet beaucoup moins de CO₂ que la fabrication du ciment (calcination du calcaire à haute température, très émettrice de CO₂).
– En fin de vie, le bois peut être valorisé énergétiquement (biomasse) ou recyclé, offrant un bilan carbone global bien plus favorable que le béton.

Chaque atome de C donne une molécule de CO₂ : \(m_{\text{CO}_2} = m_C \times \dfrac{M_{\text{CO}_2}}{M_C} = 225 \times \dfrac{44}{12} = 225 \times 3{,}667 \approx 825 \text{ kg}\)
1 m³ de bois sec stocke environ 825 kg de CO₂, ce qui correspond à l'émission de CO₂ d'une voiture parcourant environ 5 000 km.

Énergie totale : \(50 \times 3\,000 = 150\,000\) kWh
CO₂ évité : \(150\,000 \times 0{,}26 = 39\,000\) kg = 39 tonnes de CO₂ évitées par an.
La valorisation des déchets de bois en énergie est une contribution significative à la réduction des émissions de l'atelier.