Rayonnement thermique et effet de serre — Terminale Bac Pro ERA-MA
Durée : 10-15 min | Calculatrice autorisée
Barème : 20 points
Compléter les phrases :
a) À température ambiante, un bâtiment émet un rayonnement ... (visible / infrarouge).
b) Ce rayonnement est ... à l'œil nu (visible / invisible).
c) Pour le détecter, on utilise une ... ...
a) Un bâtiment émet un rayonnement infrarouge.
b) Ce rayonnement est invisible à l'œil nu.
c) Pour le détecter, on utilise une caméra thermique.
Convertir les températures suivantes en Kelvin :
a) 20 °C = ... + 273 = ... K
b) 100 °C = ... + 273 = ... K
a) \(20 + 273 = \mathbf{293}\) K
b) \(100 + 273 = \mathbf{373}\) K
Relier chaque corps à son type de rayonnement :
| Corps | Rayonnement principal |
|---|---|
| Mur d'un bâtiment (20 °C) | ... (IR / visible) |
| Soleil (5 800 K) | ... (IR / visible) |
Mur → Infrarouge (IR)
Soleil → Visible (pic vers 500 nm, lumière jaune-vert)
Citer 3 gaz à effet de serre (GES) :
a) ...
b) ...
c) ...
Trois GES parmi : vapeur d'eau (H₂O), dioxyde de carbone (CO₂), méthane (CH₄), protoxyde d'azote (N₂O).
Sur une image de caméra thermique d'une maison, la fenêtre apparaît en rouge et le mur en bleu.
a) Quelle zone perd le plus de chaleur ?
b) Comment appelle-t-on un endroit où la chaleur s'échappe facilement ?
a) La fenêtre (zone rouge) perd le plus de chaleur.
b) On appelle cela un pont thermique.
Barème : 20 points
Compléter les phrases :
a) À température ambiante, le corps humain émet un rayonnement ... (visible / infrarouge).
b) Ce rayonnement est détecté par une ...
c) Ce rayonnement est ... à l'œil nu (visible / invisible).
a) Le corps humain émet un rayonnement infrarouge.
b) Ce rayonnement est détecté par une caméra thermique.
c) Ce rayonnement est invisible à l'œil nu.
Convertir les températures suivantes en Kelvin :
a) 0 °C = ... + 273 = ... K
b) 50 °C = ... + 273 = ... K
a) \(0 + 273 = \mathbf{273}\) K
b) \(50 + 273 = \mathbf{323}\) K
Relier chaque corps à son type de rayonnement :
| Corps | Rayonnement principal |
|---|---|
| Radiateur à 40 °C | ... (IR / visible) |
| Filament d'ampoule (2 500 K) | ... (IR / visible) |
Radiateur → Infrarouge (IR)
Filament d'ampoule → Visible (le filament émet de la lumière jaune-orangée)
Répondre aux questions sur l'effet de serre :
a) Quel type de rayonnement les GES absorbent-ils ?
b) Vers où les GES réémettent-ils ce rayonnement ?
c) Citer 2 gaz à effet de serre.
a) Les GES absorbent le rayonnement infrarouge (IR).
b) Ils le réémettent vers la Terre (et vers l'espace).
c) Deux parmi : dioxyde de carbone (CO₂), méthane (CH₄), vapeur d'eau (H₂O), protoxyde d'azote (N₂O).
Sur une image de caméra thermique d'un atelier de menuiserie, le cadre de la porte apparaît en rouge et le mur en bleu.
a) Quelle zone perd le plus de chaleur ?
b) Quelle solution un menuisier agenceur pourrait-il proposer pour améliorer l'isolation de cette porte ?
a) Le cadre de la porte (zone rouge) perd le plus de chaleur.
b) Solutions possibles : remplacer la porte par un modèle à rupture de pont thermique, ajouter des joints d'étanchéité, poser un seuil isolant.
Barème : 20 points
Un menuisier agenceur intervient sur un chantier de rénovation. Il utilise une caméra thermique pour repérer les fuites de chaleur avant de poser les nouvelles menuiseries.
a) Quel type de rayonnement la caméra thermique détecte-t-elle ?
b) Pourquoi les zones mal isolées apparaissent-elles en rouge sur l'image ?
a) La caméra détecte le rayonnement infrarouge (IR).
b) Les zones mal isolées laissent échapper la chaleur. Leur surface est plus chaude, donc elles émettent un rayonnement IR plus intense. La caméra affiche cette intensité en rouge.
Appliquer la loi de Wien pour le Soleil (T = 5 800 K). On donne \(b = 2{,}898 \times 10^{-3}\) m·K.
a) Calculer la longueur d'onde du pic d'émission \(\lambda_{\max}\).
b) Convertir en nanomètres (1 m = 10⁹ nm).
c) Dans quel domaine du spectre ce rayonnement se situe-t-il ?
a) \(\lambda_{\max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{5\,800} = 5{,}0 \times 10^{-7}\) m
b) \(5{,}0 \times 10^{-7} \times 10^9 = \mathbf{500}\) nm
c) 500 nm est dans le domaine du visible (lumière jaune-vert).
Décrire les 4 étapes principales du mécanisme de l'effet de serre :
1. Le Soleil émet des rayonnements visibles qui traversent l'atmosphère.
2. La Terre absorbe ce rayonnement et se réchauffe.
3. La Terre réémet un rayonnement infrarouge (IR).
4. Les GES absorbent une partie de cet IR et le réémettent vers la Terre, ce qui la réchauffe davantage.
Quelle est la différence entre l'effet de serre naturel et l'effet de serre amplifié par l'homme ?
Effet de serre naturel : existe depuis toujours, maintient la Terre à +15 °C en moyenne (sans lui : -18 °C). Il est indispensable à la vie.
Effet de serre amplifié : les activités humaines (combustion fossile, déforestation, élevage) augmentent la concentration de GES (CO₂, CH₄) → réchauffement climatique supplémentaire.
Un fabricant de mobilier veut installer une toiture claire plutôt que sombre sur son atelier. Expliquer l'intérêt de ce choix en termes de rayonnement.
Une toiture claire réfléchit une plus grande partie du rayonnement solaire, ce qui réduit l'échauffement du bâtiment. Une toiture sombre absorbe davantage de rayonnement et se réchauffe plus, nécessitant plus de climatisation. La toiture claire permet de réduire les apports thermiques et les consommations d'énergie.
Barème : 20 points
Un ébéniste réalise un diagnostic thermique de son atelier avant d'installer un nouveau système de chauffage. Il utilise une caméra thermique pour repérer les zones de déperdition.
a) Quel type de rayonnement la caméra thermique détecte-t-elle ?
b) Pourquoi les jonctions entre les panneaux de bardage apparaissent-elles en rouge sur l'image ?
a) La caméra détecte le rayonnement infrarouge (IR).
b) Les jonctions entre panneaux sont des zones mal étanchées où la chaleur s'échappe. Leur surface est plus chaude côté extérieur, donc elles émettent un rayonnement IR plus intense. La caméra affiche cette intensité en rouge.
Appliquer la loi de Wien pour une étoile de température T = 3 500 K. On donne \(b = 2{,}898 \times 10^{-3}\) m·K.
a) Calculer la longueur d'onde du pic d'émission \(\lambda_{\max}\).
b) Convertir en nanomètres (1 m = 10⁹ nm).
c) Dans quel domaine du spectre ce rayonnement se situe-t-il ?
a) \(\lambda_{\max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{3\,500} = 8{,}28 \times 10^{-7}\) m
b) \(8{,}28 \times 10^{-7} \times 10^9 = \mathbf{828}\) nm
c) 828 nm est dans le domaine de l'infrarouge proche (juste au-delà du rouge visible à 780 nm).
Décrire les 4 étapes principales du mécanisme de l'effet de serre en complétant les phrases :
1. Le Soleil émet des rayonnements ... qui traversent l'atmosphère.
2. La Terre ... ce rayonnement et se réchauffe.
3. La Terre réémet un rayonnement ...
4. Les ... absorbent une partie de cet IR et le réémettent vers la ...
1. Le Soleil émet des rayonnements visibles qui traversent l'atmosphère.
2. La Terre absorbe ce rayonnement et se réchauffe.
3. La Terre réémet un rayonnement infrarouge (IR).
4. Les GES absorbent une partie de cet IR et le réémettent vers la Terre.
Sans effet de serre, la température moyenne de la Terre serait de -18 °C. Avec l'effet de serre naturel, elle est de +15 °C.
a) Calculer la différence de température apportée par l'effet de serre naturel.
b) L'effet de serre naturel est-il bénéfique ou néfaste ? Justifier.
a) \(15 - (-18) = \mathbf{33}\) °C de différence.
b) L'effet de serre naturel est bénéfique : il rend la Terre habitable en maintenant une température moyenne de +15 °C. Sans lui, la planète serait gelée à -18 °C et la vie telle que nous la connaissons serait impossible.
Un poseur de menuiseries extérieures hésite entre un bardage bois de couleur sombre et un bardage bois de couleur claire pour la façade sud d'un atelier. Expliquer l'intérêt de choisir le bardage clair en termes de rayonnement.
Un bardage clair réfléchit une plus grande partie du rayonnement solaire, ce qui réduit l'échauffement de la façade et du bâtiment. Un bardage sombre absorbe davantage de rayonnement et se réchauffe plus, ce qui augmente les besoins en climatisation en été. Le bardage clair permet de limiter les apports thermiques et les coûts énergétiques.
Barème : 20 points
Un fer chauffé dans une forge atteint 700 °C. On donne \(b = 2{,}898 \times 10^{-3}\) m·K.
a) Convertir cette température en Kelvin.
b) Calculer \(\lambda_{\max}\) et convertir en µm.
c) Le fer commence-t-il à émettre dans le visible ? Justifier.
a) \(T = 700 + 273 = \mathbf{973}\) K
b) \(\lambda_{\max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{973} \approx 2{,}98 \times 10^{-6}\) m = 2,98 µm
c) Le pic est à 2,98 µm, dans l'infrarouge. Mais la « queue » du spectre déborde dans le visible (longueurs d'onde < 0,78 µm), ce qui explique la lueur rouge sombre observée. Oui, le fer commence à émettre dans le rouge visible.
La Terre a une température moyenne de 288 K et émet un rayonnement infrarouge centré autour de 10 µm.
a) Vérifier cette valeur avec la loi de Wien.
b) Expliquer pourquoi les vitres laissent passer la lumière du Soleil mais bloquent partiellement les IR de la Terre (principe de la serre en verre).
a) \(\lambda_{\max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{288} \approx 1{,}006 \times 10^{-5}\) m = 10,06 µm ≈ 10 µm. La valeur est confirmée.
b) Le verre est transparent aux longueurs d'onde du visible (~500 nm, rayonnement solaire) mais opaque aux IR lointains (~10 µm, rayonnement terrestre). La lumière du Soleil entre, réchauffe l'intérieur, mais les IR réémis par les objets intérieurs sont bloqués par le verre : c'est le principe de l'effet de serre dans une véritable serre.
Lors d'un audit énergétique, un diagnostiqueur mesure les températures de surface de différentes zones d'une façade avec une caméra thermique :
| Zone | Température (°C) |
|---|---|
| Mur isolé | 8 |
| Fenêtre simple vitrage | 14 |
| Pont thermique (linteau) | 16 |
La température intérieure est de 20 °C et la température extérieure est de 5 °C.
a) Quelle zone présente la plus grande déperdition thermique ? Justifier.
b) Proposer une solution pour le pont thermique identifié.
a) Le pont thermique (linteau) à 16 °C en surface extérieure est la zone qui perd le plus de chaleur : sa température est la plus proche de celle de l'intérieur (20 °C), ce qui montre que la chaleur traverse facilement cette zone.
b) Solutions possibles : isolation par l'extérieur (ITE) avec un rupteur de pont thermique, ou pose d'un isolant spécifique au niveau du linteau.
Le CO₂ a une concentration atmosphérique de 280 ppm avant la révolution industrielle et 420 ppm en 2024.
a) Calculer le pourcentage d'augmentation.
b) Le méthane est 25 fois plus puissant que le CO₂ comme GES. Si sa concentration a augmenté de 1 ppm, à combien de ppm de CO₂ « équivalent » cela correspond-il ?
a) \(\dfrac{420 - 280}{280} \times 100 = \dfrac{140}{280} \times 100 = \mathbf{50\,\%}\) d'augmentation.
b) \(1 \times 25 = \mathbf{25}\) ppm de CO₂ équivalent.
Expliquer pourquoi l'effet de serre n'est pas le « trou dans la couche d'ozone ». Préciser pour chaque phénomène : la cause, les gaz impliqués et la conséquence principale.
Effet de serre : causé par les GES (CO₂, CH₄, H₂O, N₂O) qui absorbent les IR terrestres. Conséquence : réchauffement climatique.
Trou dans la couche d'ozone : causé par les CFC (chlorofluorocarbones) qui détruisent l'ozone (O₃) stratosphérique. Conséquence : augmentation des UV atteignant la surface terrestre (risques de cancer de la peau).
Ce sont deux phénomènes distincts avec des gaz, des mécanismes et des conséquences différents.
Barème : 20 points
Une plaque de cuisson en fonte atteint 350 °C. On donne \(b = 2{,}898 \times 10^{-3}\) m·K.
a) Convertir cette température en Kelvin.
b) Calculer \(\lambda_{\max}\) et convertir en µm.
c) La plaque émet-elle dans le visible ? Justifier.
a) \(T = 350 + 273 = \mathbf{623}\) K
b) \(\lambda_{\max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{623} \approx 4{,}65 \times 10^{-6}\) m = 4,65 µm
c) Le pic est à 4,65 µm, nettement dans l'infrarouge. La « queue » du spectre ne déborde pas encore dans le visible (il faudrait environ 500 °C minimum). La plaque à 350 °C n'émet pas de lumière visible, uniquement de l'infrarouge.
Un radiateur domestique a une température de surface de 60 °C.
a) Convertir en Kelvin et calculer \(\lambda_{\max}\) avec la loi de Wien.
b) Expliquer pourquoi un tel radiateur chauffe une pièce essentiellement par rayonnement infrarouge et non par émission de lumière visible.
a) \(T = 60 + 273 = 333\) K. \(\lambda_{\max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{333} \approx 8{,}7 \times 10^{-6}\) m = 8,7 µm
b) Le pic d'émission est à 8,7 µm, très loin du visible (0,38-0,78 µm). Le radiateur émet exclusivement dans l'infrarouge. Ce rayonnement IR est absorbé par les objets et les murs de la pièce, qui se réchauffent. C'est le transfert de chaleur par rayonnement thermique.
Un technicien d'agencement réalise un diagnostic thermique d'un local commercial. Il mesure les températures de surface extérieure avec une caméra thermique :
| Zone | Température (°C) |
|---|---|
| Mur isolé par l'extérieur | 6 |
| Vitrine (double vitrage) | 10 |
| Coffre de volet roulant | 15 |
La température intérieure est de 19 °C et la température extérieure est de 3 °C.
a) Quelle zone présente la plus grande déperdition thermique ? Justifier.
b) Proposer une solution pour réduire les pertes au niveau du coffre de volet roulant.
a) Le coffre de volet roulant à 15 °C en surface extérieure est la zone qui perd le plus de chaleur : sa température est la plus proche de celle de l'intérieur (19 °C), ce qui montre que la chaleur traverse facilement cette zone.
b) Solutions possibles : isoler le coffre de volet roulant avec de la mousse isolante, remplacer le coffre par un modèle à isolation intégrée, ou poser un habillage isolant intérieur.
La concentration de CO₂ dans l'atmosphère était de 315 ppm en 1958 et de 425 ppm en 2025.
a) Calculer le pourcentage d'augmentation.
b) Le protoxyde d'azote (N₂O) a un pouvoir de réchauffement 298 fois supérieur à celui du CO₂. Si sa concentration a augmenté de 0,05 ppm, à combien de ppm de CO₂ « équivalent » cela correspond-il ?
a) \(\dfrac{425 - 315}{315} \times 100 = \dfrac{110}{315} \times 100 \approx \mathbf{34{,}9\,\%}\) d'augmentation.
b) \(0{,}05 \times 298 = \mathbf{14{,}9}\) ppm de CO₂ équivalent.
Expliquer la différence entre les pluies acides et l'effet de serre. Préciser pour chaque phénomène : la cause, les gaz impliqués et la conséquence principale.
Effet de serre : causé par les GES (CO₂, CH₄, H₂O, N₂O) qui absorbent les IR terrestres. Conséquence : réchauffement climatique.
Pluies acides : causées par les émissions de dioxyde de soufre (SO₂) et d'oxydes d'azote (NOₓ), provenant de la combustion des énergies fossiles et de l'industrie. Ces gaz se dissolvent dans l'eau de pluie et forment des acides (acide sulfurique, acide nitrique). Conséquence : dégradation des forêts, acidification des lacs, corrosion des bâtiments et monuments.
Ce sont deux phénomènes distincts avec des gaz, des mécanismes et des conséquences différents.