LE CORPS NOIR

Le corps noir est le radiateur intégral. Il émet, à une température donnée, toutes les radiations que peut émettre un corps porté à cette température. Un corps moins complètement absorbant émettra, par contre, moins de radiations ; et la relation entre son absorption et son émission constituera précisément la grande loi de Kirchhoff.

Mais avant d'aborder l'étude plus complexe des corps partiellement absorbants, ou colorés, il est bon de remarquer qu'il s'en faut que l'étude de la radiation du corps noir présente un intérêt exclusivement théorique.

Nous ne sommes pas sûrs d'avoir jamais des substances complètement absorbantes à toute température. Le noir de fumée est bien noir aux basses températures. Chauffé au rouge et au blanc, il ne cesse pas pour cela d'être noir au sens de Kirchhoff, c'est-à-dire intégralement absorbant pour tous les rayons qui tombent sur lui. Mais nous n'en sommes plus aussi sûrs; il nous est, en tous les cas, moins aisé de l'éprouver ; nous ne voyons pas, par exemple, comment nous vérifierons si du charbon porté à 3.000 degrés, absorbe intégralement les rayons lumineux venus d'une bougie, et n'en diffuse pas quelquesuns qui se superposent aux rayons émis par le charbon lui-même.

11 existe un moyen de réaliser pratiquement et à coup sûr « le corps noir parfait » à toute température. Quand on veut dire que la nuit est très obscure, on dit couramment: « 11 fait noir comme dans un four. » C'est le four qui réalise le corps noir.

Dans un four de boulanger, attendons que s'établisse une température uniforme : à travers une petite

ouverture ménagée dans une paroi, la paroi intérieure opposée envoie un faisceau de rayons qui est celui qu'émettrait, par sa surface extérieure, un corps noir parfait à la même température. Si cette surface intérieure est polie et réfléchissante, ou si elle est capable de diffuser une partie de la lumière qu'elle reçoit, ou encore si elle a une certaine transparence, elle émet par elle-même moins de rayons que si elle était noire; mais, par contre, elle renvoie à travers la petite ouverture des rayons émanés d'autres parties du four ou de points plus profondément situés dans la paroi; et la compensation est exacte. Plus simplement, une paroi qui ne serait ni réfléchissante ni diffusante, mais qui ne serait pas tout à fait opaque, laisserait filtrer, sans les absorber, quelques-uns des rayons reçus ; mais elle deviendrait toujours Opaque sous une épaisseur suffisante ; et sous une grande épaisseur, elle rayonnerait exactement comme le corps noir. C'est ainsi qu'une flamme gazeuse, colorée quand elle est mince, émet un spectre d'autant plus complet qu'elle est plus épaisse, et, très épaisse ou très dense, envoie les mêmes rayons qu'un corps parfaitement noir.

Comment varie, avec la température du corps noir, l'énergie qu'il émet par rayonnement? Elle varie et en quantité et en qualité. La dose d'énergie émise augmente, et très rapidement, avec la température. La qualité change aussi quand la température s'élève; et la lumière devient plus riche en rayons de fréquence élevée. Les lois de Stefan et de Wien régissent ces deux modifications.

La loi de Stefan indique que la dose d'énergie rayonnée à la seconde par un centimètre carré de corps noir est proportionnelle à la quatrième puissance de la température absolue de ce corps. Si. à 1.000 degrés, — soit 1.273 degrés absolus, — le corps

noir rayonne 3 cal., 36 par seconde : à une température absolue double, de 2.273 degrés ou 2.546 degrés absolus, il rayonnera 16 fois plus, soit 53 cal. ,8. Et la loi s'est montrée si rigoureusement vérifiée qu'elle sert aujourd'hui pratiquement à évaluer la température des fours à porcelaine. Désormais, au lieu d'introduire un thermomètre quelconque, électrique ou autre, à l'intérieur du four, on recueille au contraire à l'extérieur un faisceau de rayons émanés d'une paroi intérieure par une toute petite ouverture, et on le reçoit sur une lunette qui le concentre sur sa croisée de réticule, où il rencontre une soudure thermo-électrique : c'est le pyromètre de Féry.

Si un corps noir à 1 .000 degrés rayonne vers une enceinte à 100 degrés, oh calculera l'énergie envoyée par le corps à l'enceinte en raisonnant comme si le corps à 1.000 degrés rayonnait vers un espace au zéro absolu, puis en cherchant ce que l'enceinte à 100 degrés enverrait à son tour à un corps maintenu au zéro absolu, et en faisant la différence : la chaleur envoyée par le corps à l'enceinte résulte d'une balance de profits et pertes, chacun des deux termes de cette soustraction se calculant séparément, sans avoir égard à l'autre. On admet ainsi que le rayonnement'du corps noir est déterminé par sa température seule et n'est pas directement influencé par les corps qui reçoivent ce rayonnement. C'est la vieille théorie des échanges de Prévost.

£ 4. — LA THÉORIE DES ÉCHANGES DE CHALEUR ET SES APPLI- CATIONS.— LOI DE KIRCHHOFF. — PRESSION DE RADIATION.

La théorie des échanges consiste en ce que des corps maintenus dans une enceinte à température uniforme échangent entre eux des doses d'énergie

égale et rayonnent réellement l'un vers l'autre des quantités d'énergie qui se font équilibre.

Supposons, en effet, qu'un de ces corps soit enlevé de la chambre et porté au milieu de corps plus froids : il rayonnera vers eux. Supposons au contraire qu'un corps plus froid soit porté dans la chambre à la place d'un corps plus chaud : il va s'échauffer et il va refroidir les autres. Mais le corps froid n'est pas susceptible d'agir directement sur les corps chauds à distance ; il ne rayonne pas du froid. Donc il faut admettre, avec Prévost, qu'un corps chaud émet toujours des rayons de chaleur, môme lorsqu'il n'existe aucun corps froid pour les recevoir, et que, si la température d'un corps ne change pas quand il est dans une enceinte à la même température, c'est parce que le corps reçoit de l'enceinte, par rayonnement, autant de chaleur qu'il en envoie à l'enceinte. C'est en cela que consiste la théorie des échanges, ou théorie de V équilibre mobile.

Si un corps est plus chaud que le milieu , et s'il se refroidit, ce n'est pas qu'il ne reçoive aucune chaleur du milieu ; c'est qu'il en reçoit moins du milieu qu'il ne lui en envoie lui-même. En définitive, il perd de l'énergie parce qu'il en reçoit moins qu'il n'en donne. C'est la théorie des échanges, associée au principe de Carnot, qui a servi de point de départ à tous les raisonnements par lesquels on a établi la loi de Kirchhoff, l'existence de la pression de radiation et les lois numériques de Stefan et de Wien.

Kirchhoff a montré d'abord que la théorie des échanges était applicable, non pas seulement à la quantité totale de rayonnement émanée d'un corps, mais encore à chaque espèce de radiation particulière comprise dans ce rayonnement.

Kirchhoff a pris comme exemple trois types de corps : Le noir de fumée qui réfléchit à peine les rayons

92 LA DÉGRADATION DE i/ÉNERGIE

qu'il reçoit et n'en transmet aucun: presque tout est absorbé ;

L'argent poli réfléchit presque tous les rayons, n'en absorbe que la quarantième partie environ et n'en transmet aucun ;

Le sel gemme réfléchit moins de la douzième partie de ce qu'il reçoit, n'absorbe presque rien et transmet presque tout, même en lames assez épaisses.

Supposons que ces propriétés des trois substances aient été observées à 100° et que les substances citées soient placées dans une enceinte dont les parois soient à la même température. L'équilibre mobile exige que le noir de fumée absorbe autant d'énergie venue de l'argent ou du sel gemme, que l'argent ou le sel gemme d'énergie venue du noir de fumée.

Or, la quantité de chaleur émise par le noir de fumée et absorbée par l'argent ou le sel gemme est très faible. Comme le noir de fumée absorbe toute la chaleur rayonnée par l'argent ou le sel gemme, il s'ensuit que la chaleur rayonnée par ces corps doit être faible.

L'on en conclut que le rayonnement d'une substance à une température déterminée, ou son pouvoir émissif, est au rayonnement du corps parfaitement noir, comme la quantité totale de chaleur absorbée par cette substance est à la chaleur absorbée par le corps noir.

Le corps noir absorbe tout : son pouvoir absorbant est 100 pour 100, ou 1. Si un autre corps absorbe 40 pour 100, son pouvoir absorbant est

r^r de celui du corps noir. Son pouvoir émissif est

alors nécessairement les jrrx du pouvoir émissif du

corps noir à la même température. Le pouvoir émissif rapporté à celui du corps noir, ou pouvoir émissif

relatif, est égal à la fraction d'énergie absorbée. C'est ce que Ton énonce souvent, sous cette forme abrégée : le pouvoir émissif d'un corps est égal à son pouvoir absorbant. Cette proposition constitue la loi de Kirchhoff.

Si la loi de Kirchhoff n'était pas vraie, les échanges d'énergie entre deux corps de propriétés différentes pourraient ne pas s'équilibrer, et il y aurait ainsi, à l'intérieur d'une enceinte à température uniforme, création spontanée d'une inégalité thermique , sans dépense de travail. L'impossibilité d'une telle création est la forme même sous laquelle lord Kelvin a présenté le principe de Carnot. La loi de Kirchhoff en défaut, ce serait la restauration d'une énergie utile assurée sans dégradation compensatrice.

L'application du même principe à permis à Bartoli de prévoir l'existence d'une pression de radiation, que Lebedew a, depuis lors, mise en évidence par expérience. Un faisceau de rayons solaires tombant normalement sur une surface noire de 1 mètre carré, exerce sur elle une pression de 4 dixièmes de milligramme. Sur une surface polie, parfaitement réfléchissante, la pression exercée serait double : 8 dixièmes de milligramme.

Pour faire concevoir la nécessité d'une telle pression, on peut imaginer un espace clos, aynnt la forme d'un long cylindre dont une base rayon ne de la chaleur vers l'autre : cette autre est un miroir parfait qui renvoie par réflexion toute l'énergie reçue. En déplaçant ce miroir le long du cylindre pour le rapprocher de la base rayonnante, immobile, on peut restituer à cette base l'énergie rayonnée par elle plus vite qu'elle ne l'a émise elle-même, et par suite élever sa température. Le principe de Carnot serait en défaut si l'on pouvait créer cette inégalité thermique sans dépense de travail, et si, par conséquent,

94 Ll MCI A* AT*** P* LE5EBGIE

Ton n'arait pas ne résistance à Taincre pour pousser la surface réuecbissaBte aa-derant des rayons qui la frappent : ce qui retient â dire que les rayons exercent sur la surface nue pression.

Une fois démontrée l'existence de cette pression, de nouTelles ^applications dn même principe aux espaces dos à température uniforme, où s'entrecroisent des faisceaux de rayons incidents on réfléchis, émanés des parois on de corps intérieurs, conduisent par une série de déductions rigoureuses à la loi de Stefan déjà indiquée, et à la loi de Wien qui sera énoncée plus loin. 11 n'est donc pas excessif de dire que toute la théorie de la radiation de l'énergie est un corollaire direct du second principe de la thermodynamique.