Rayonnement thermique et effet de serre — Terminale Bac Pro ICCER
Durée : 10-15 min | Calculatrice autorisée
Barème : 20 points
Un corps humain est à 37 °C.
a) Convertir en kelvins : T = 37 + 273 = ... K
b) Calculer \(\lambda_{max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{...} = ...\) m = ... μm
c) Ce rayonnement est-il visible ou infrarouge ?
a) T = 37 + 273 = 310 K
b) \(\lambda_{max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{310} \approx 9{,}3 \times 10^{-6}\) m = 9,3 μm
c) Ce rayonnement est dans l'infrarouge moyen, invisible à l'œil nu.
a) Une caméra thermique fonctionne-t-elle dans l'obscurité ? Pourquoi ?
b) Quelles couleurs indiquent les zones chaudes sur un thermogramme ?
a) Oui, car elle détecte le rayonnement infrarouge émis par les objets, pas la lumière visible.
b) Les zones chaudes sont en couleurs chaudes : blanc, rouge, orange.
Un matériau a α = 0,90 et τ = 0.
a) Calculer ρ : \(\rho = 1 - 0{,}90 - 0 = ...\)
b) Ce matériau absorbe-t-il bien le rayonnement infrarouge ?
a) \(\rho = 1 - 0{,}90 - 0 = \mathbf{0{,}10}\)
b) Oui, α = 0,90 signifie qu'il absorbe 90 % du rayonnement → très bonne absorption.
a) Quelle serait la température moyenne de la Terre sans effet de serre ?
b) Quelle est la température moyenne actuelle ?
c) L'effet de serre naturel est-il bénéfique ou néfaste ?
a) −18 °C
b) Environ +15 °C
c) Bénéfique et indispensable à la vie (écart de 33 °C). C'est l'amplification par les activités humaines qui pose problème.
a) Citer trois gaz à effet de serre.
b) Lequel est le gaz de référence pour le PRG (Potentiel de Réchauffement Global) ?
a) CO₂ (dioxyde de carbone), CH₄ (méthane), H₂O (vapeur d'eau). On peut aussi citer N₂O ou les HFC.
b) Le CO₂ (PRG = 1, par convention).
Barème : 20 points
Un radiateur de chauffage central est à 60 °C.
a) Convertir en kelvins : T = 60 + 273 = ... K
b) Calculer \(\lambda_{max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{...} = ...\) m = ... μm
c) Ce rayonnement est-il visible ou infrarouge ?
a) T = 60 + 273 = 333 K
b) \(\lambda_{max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{333} \approx 8{,}70 \times 10^{-6}\) m = 8,7 μm
c) Ce rayonnement est dans l'infrarouge moyen, invisible à l'œil nu.
a) Les murs d'une maison sont-ils détectables par une caméra thermique même la nuit ? Pourquoi ?
b) Quelles couleurs indiquent les zones froides sur un thermogramme ?
a) Oui, car la caméra détecte le rayonnement infrarouge émis par les murs, pas la lumière visible. Un mur chaud émet plus d'IR.
b) Les zones froides sont en couleurs froides : bleu, violet, noir.
Un matériau a α = 0,70 et ρ = 0,20.
a) Calculer τ : \(\tau = 1 - 0{,}70 - 0{,}20 = ...\)
b) Ce matériau laisse-t-il passer une partie du rayonnement infrarouge ?
a) \(\tau = 1 - 0{,}70 - 0{,}20 = \mathbf{0{,}10}\)
b) Oui, τ = 0,10 signifie qu'il transmet 10 % du rayonnement → faible transmission mais non nulle.
a) L'effet de serre est-il un phénomène naturel ou uniquement causé par l'homme ?
b) De combien de degrés l'effet de serre naturel réchauffe-t-il la Terre ?
c) Qu'est-ce qui aggrave l'effet de serre aujourd'hui ?
a) C'est un phénomène naturel, indispensable à la vie.
b) Environ 33 °C (de −18 °C à +15 °C).
c) L'augmentation des émissions de gaz à effet de serre par les activités humaines (combustion d'énergies fossiles, élevage, déforestation).
a) Quel gaz à effet de serre a un PRG égal à 1 (référence) ?
b) Le méthane CH₄ a un PRG de 28. Cela signifie quoi concrètement ?
a) Le CO₂ (dioxyde de carbone).
b) Cela signifie que 1 kg de CH₄ réchauffe autant que 28 kg de CO₂ sur 100 ans.
Barème : 20 points
Calculer λmax pour le Soleil (T = 5 780 K) et pour la surface de la Terre (T = 288 K). Identifier le domaine spectral de chaque rayonnement.
Soleil : \(\lambda_{max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{5\,780} \approx 5{,}01 \times 10^{-7}\) m = 501 nm → visible (vert-jaune)
Terre : \(\lambda_{max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{288} \approx 1{,}006 \times 10^{-5}\) m = 10,1 μm → infrarouge moyen
Un technicien chauffagiste utilise une caméra thermique pour diagnostiquer un tableau électrique. Il détecte un point chaud à 85 °C sur une connexion alors que les connexions voisines sont à 35 °C.
a) Que peut indiquer un point chaud sur une connexion électrique ?
b) Quelle est l'action à entreprendre ?
a) Un point chaud indique une résistance de contact anormalement élevée (connexion desserrée, oxydée, corrodée) → effet Joule localisé → risque d'incendie.
b) Resserrer ou remplacer la connexion défectueuse. Intervention urgente car risque d'incendie.
Expliquer en 3 étapes le mécanisme de l'effet de serre naturel.
1. Le Soleil émet un rayonnement visible qui traverse l'atmosphère (transparente au visible) et réchauffe la surface terrestre.
2. La Terre réchauffée émet un rayonnement infrarouge (λ ≈ 10 μm).
3. Les gaz à effet de serre (H₂O, CO₂, CH₄) absorbent cet IR et en ré-émettent une partie vers la Terre → supplément d'énergie → température plus élevée.
Un installateur thermique travaille avec du fluide frigorigène R-410A (PRG = 2 088). L'installation contient 3 kg de ce fluide.
a) Calculer la masse équivalente CO₂ en cas de fuite totale.
b) Citer un fluide de remplacement à faible PRG.
a) \(3 \times 2\,088 = \mathbf{6\,264}\) kg eq CO₂ (soit 6,3 teqCO₂)
b) R-32 (PRG = 675), R-290 propane (PRG = 3) ou R-744 CO₂ (PRG = 1).
La caméra thermique est réglée pour une émissivité ε = 0,95. Le technicien vise un tuyau en cuivre poli (ε réel ≈ 0,05).
a) La mesure de température sera-t-elle fiable ? Expliquer.
b) Comment remédier à ce problème ?
a) Non, la mesure sera faussée. Le cuivre poli réfléchit le rayonnement de l'environnement comme un miroir. La caméra mesure surtout la température de l'environnement réfléchi.
b) Couvrir le tuyau avec un ruban adhésif noir (ε ≈ 0,95) ou ajuster l'émissivité dans les réglages de la caméra, ou utiliser un thermomètre à contact.
Barème : 20 points
Calculer λmax pour un radiateur à 70 °C (T = 343 K) et pour un mur extérieur à 5 °C (T = 278 K). Identifier le domaine spectral de chaque rayonnement.
Radiateur : \(\lambda_{max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{343} \approx 8{,}45 \times 10^{-6}\) m = 8,45 μm → infrarouge moyen
Mur : \(\lambda_{max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{278} \approx 1{,}043 \times 10^{-5}\) m = 10,4 μm → infrarouge moyen
Un installateur thermique utilise une caméra thermique pour repérer les déperditions d'un bâtiment. Il observe que les linteaux de fenêtres apparaissent en rouge (28 °C) alors que le mur est en bleu (12 °C).
a) Que peut indiquer cette différence de température en façade ?
b) Quelle solution proposer pour y remédier ?
a) La zone chaude indique un pont thermique au niveau du linteau : la chaleur intérieure s'échappe par cette zone mal isolée.
b) Isoler le linteau par l'extérieur (ITE) ou poser un rupteur de pont thermique.
Expliquer en 3 étapes pourquoi l'augmentation du CO₂ dans l'atmosphère entraîne un réchauffement climatique.
1. Les activités humaines (combustion fossile) augmentent la concentration en CO₂ atmosphérique.
2. Le CO₂ supplémentaire absorbe davantage le rayonnement infrarouge émis par la Terre.
3. Ce rayonnement IR est ré-émis vers la Terre → supplément d'énergie → la température moyenne augmente.
Un technicien CVC travaille avec du fluide frigorigène R-32 (PRG = 675). L'installation contient 4 kg de ce fluide.
a) Calculer la masse équivalente CO₂ en cas de fuite totale.
b) Comparer avec le R-410A (PRG = 2 088) pour la même masse.
a) \(4 \times 675 = \mathbf{2\,700}\) kg eq CO₂ (soit 2,7 teqCO₂)
b) R-410A : \(4 \times 2\,088 = 8\,352\) kg eq CO₂. Le R-32 est 3 fois moins impactant que le R-410A.
Un technicien de maintenance énergétique pointe sa caméra thermique (réglée à ε = 0,95) vers un conduit en aluminium brillant (ε réel ≈ 0,10).
a) La mesure de température sera-t-elle fiable ? Expliquer.
b) Comment obtenir une mesure correcte ?
a) Non, la mesure sera faussée. L'aluminium brillant a une très faible émissivité et réfléchit le rayonnement IR de l'environnement. La caméra mesure surtout la température réfléchie.
b) Appliquer un ruban adhésif noir mat (ε ≈ 0,95) sur le conduit, ou régler l'émissivité de la caméra à 0,10, ou utiliser un thermomètre à contact.
Barème : 20 points
Calculer λmax pour un échangeur chaud de PAC à 50 °C et pour un pont thermique de façade à 8 °C. Vérifier que ces deux rayonnements sont bien dans la plage de détection d'une caméra thermique (8–14 μm).
Échangeur : T = 50 + 273 = 323 K → \(\lambda_{max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{323} \approx \mathbf{8{,}97}\) μm → dans [8 ; 14] μm.
Pont thermique : T = 8 + 273 = 281 K → \(\lambda_{max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{281} \approx \mathbf{10{,}3}\) μm → dans [8 ; 14] μm.
Les deux valeurs sont bien dans la plage de la caméra thermique.
Un vitrage a les propriétés suivantes vis-à-vis de l'IR : τ = 0, ρ = 0,15.
a) Calculer le coefficient d'absorption α.
b) La caméra thermique peut-elle « voir » derrière ce vitrage ? Justifier.
c) Que mesure-t-elle en réalité lorsqu'elle est pointée vers le vitrage ?
a) \(\alpha = 1 - \rho - \tau = 1 - 0{,}15 - 0 = \mathbf{0{,}85}\)
b) Non, le vitrage est opaque à l'IR (τ = 0). La caméra ne peut pas voir derrière.
c) Elle mesure la température de surface du vitrage (85 % absorbé → réémis) et 15 % de reflet de l'environnement.
Une installation de climatisation utilise 5 kg de R-410A (PRG = 2 088). On envisage de passer au R-32 (PRG = 675) ou au R-290 propane (PRG = 3).
a) Calculer la masse équivalente CO₂ pour chaque fluide.
b) Calculer le facteur de réduction entre R-410A et R-290.
c) Citer un inconvénient majeur du R-290.
a) R-410A : \(5 \times 2\,088 = \mathbf{10\,440}\) kg eq CO₂. R-32 : \(5 \times 675 = \mathbf{3\,375}\) kg. R-290 : \(5 \times 3 = \mathbf{15}\) kg.
b) Facteur : \(\dfrac{10\,440}{15} = \mathbf{696}\) → le R-290 est 696 fois moins impactant.
c) Le R-290 (propane) est inflammable (classe A3) → contraintes de sécurité strictes.
La concentration en CO₂ était de 280 ppm avant l'ère industrielle et atteint 422 ppm en 2024.
a) Calculer le pourcentage d'augmentation.
b) Quelle est l'augmentation de température moyenne mondiale depuis 1850 ?
c) Citer la principale source anthropique de CO₂.
a) \(\dfrac{422 - 280}{280} \times 100 \approx \mathbf{50{,}7\,\%}\)
b) Environ +1,2 °C depuis 1850-1900.
c) La combustion des énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel).
À quelle température devrait-on chauffer une surface pour que son pic d'émission soit à la limite du visible (λ = 0,7 μm = 7 × 10⁻⁷ m) ? Commenter le résultat.
\(T = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{7 \times 10^{-7}} \approx \mathbf{4\,140}\) K
C'est l'ordre de grandeur de la température d'un filament de lampe à incandescence (~2 700-3 000 K, dont le pic est dans l'IR proche, émettant aussi dans le rouge-visible). À 4 140 K, le pic serait à la frontière rouge du visible.
Barème : 20 points
Calculer λmax pour un plancher chauffant à 30 °C et pour un tuyau de chauffage à 80 °C. Vérifier que ces deux rayonnements sont bien dans la plage de détection d'une caméra thermique (8–14 μm).
Plancher : T = 30 + 273 = 303 K → \(\lambda_{max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{303} \approx \mathbf{9{,}56}\) μm → dans [8 ; 14] μm.
Tuyau : T = 80 + 273 = 353 K → \(\lambda_{max} = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{353} \approx \mathbf{8{,}21}\) μm → dans [8 ; 14] μm.
Les deux valeurs sont bien dans la plage de la caméra thermique.
Un film plastique a les propriétés suivantes vis-à-vis de l'IR : ρ = 0,05 et α = 0,15.
a) Calculer le coefficient de transmission τ.
b) La caméra thermique peut-elle « voir » à travers ce film ? Justifier.
c) Citer une application de ce type de matériau.
a) \(\tau = 1 - \alpha - \rho = 1 - 0{,}15 - 0{,}05 = \mathbf{0{,}80}\)
b) Oui, le film transmet 80 % du rayonnement IR → la caméra peut voir à travers.
c) Film de protection dans certaines fenêtres IR, hublot de caméra thermique, cellophane pour emballage alimentaire.
Une installation de climatisation utilise 4 kg de R-32 (PRG = 675). On envisage de passer au R-290 propane (PRG = 3) ou au R-744 CO₂ (PRG = 1).
a) Calculer la masse équivalente CO₂ pour chaque fluide.
b) Calculer le facteur de réduction entre R-32 et R-744.
c) Citer un inconvénient majeur du R-744.
a) R-32 : \(4 \times 675 = \mathbf{2\,700}\) kg eq CO₂. R-290 : \(4 \times 3 = \mathbf{12}\) kg. R-744 : \(4 \times 1 = \mathbf{4}\) kg.
b) Facteur : \(\dfrac{2\,700}{4} = \mathbf{675}\) → le R-744 est 675 fois moins impactant.
c) Le R-744 (CO₂) fonctionne à très haute pression (80-130 bar) → contraintes mécaniques et coûts d'installation élevés.
La concentration en CH₄ (méthane) est passée de 700 ppb avant l'ère industrielle à 1 900 ppb aujourd'hui. Le PRG du CH₄ est 28.
a) Calculer le pourcentage d'augmentation de la concentration.
b) Citer deux sources anthropiques de méthane.
c) Pourquoi le CH₄ est-il particulièrement préoccupant malgré sa faible concentration ?
a) \(\dfrac{1\,900 - 700}{700} \times 100 \approx \mathbf{171\,\%}\)
b) L'élevage (ruminants) et les rizières. On peut aussi citer : fuites de gaz naturel, décharges.
c) Bien que sa concentration soit faible, son PRG est 28 fois supérieur à celui du CO₂ → chaque molécule de CH₄ a un impact bien plus fort.
À quelle température la surface d'un objet devrait-elle être pour que son pic d'émission soit à λ = 1,5 μm = 1,5 × 10⁻⁶ m (proche infrarouge) ? Commenter le résultat.
\(T = \dfrac{2{,}898 \times 10^{-3}}{1{,}5 \times 10^{-6}} = \mathbf{1\,932}\) K soit environ 1 659 °C.
C'est l'ordre de grandeur d'un métal en fusion (acier fondu ≈ 1 500 °C, fer porté au rouge-blanc). À cette température, l'objet émet aussi dans le visible (il brille d'un rouge-orange intense).