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Thermique : théorie

Introduction

L’aspect thermique est très important dans l’éclairage pour plusieurs raisons :
– C’est l’un des principes de fonctionnement de lampes (les sources incandescentes)
– C’est un paramètre à surveiller de près pour garantir un bon fonctionnement des luminaires, car outre les effets mécaniques de dilatation, les composants électroniques (ballasts, driver, LED…) se détériorent avec des températures élevées
– Avec une excellente approximation (voir détails ci-dessous), toute la puissance électrique des luminaires est convertie d’une manière ou d’une autre en chaleur, ce qui est à prendre en compte pour établir les bilans thermiques des pièces et bâtiments.

Afin de comprendre cet aspect thermique au niveau des luminaires et des bâtiments et de voir quelles sont les mesures et les solutions, voici quelques définitions et concepts de base.

La température et la chaleur

La température est un concept clef pour aborder la thermique : il s’agit d’une caractéristique physique liée à l’agitation thermique microscopique d’un corps (mouvement désordonné des atomes ou molécules). La température est liée à la sensation de froid et de chaud et mesurée par un thermomètre.

Deux échelles sont principalement utilisées pour la mesurer (sans compter l’échelle Fahrenheit utilisée essentiellement aux États-Unis) :
– L’échelle Celsius, très répandue au quotidien est basée sur deux états de l’eau (par définition la glace fond à 0°C et l’eau liquide bout à 100°C), ce qui définit l’unité du degré Celsius.
– L’échelle Kelvin, utilisée dans les milieux scientifiques, basée sur le zéro absolu (-273,15°C) et dont l’unité est équivalent au degré Celsius (il suffit donc d’ajouter 273,15 pour passer de degrés Celsius à des Kelvin, voir tableau ci-dessous). Cette échelle est notamment utilisée pour caractériser les températures de couleur car celles-ci font référence à la température d’un corps noir, c’est à dire à une modélisation scientifique.

Température en degré CelsiusTempérature en Kelvin
Fonte de la glace0°C273,15 K
Température ambiante25°C298,15 K
Évaporation de l’eau liquide100°C373,15 K
Zéro absolu-273,15°C0 K
Modélisation d’un corps noirTempérature de la terreNon significatif300 K
Blanc chaudNon significatif3000 K
Blanc froidNon significatif4000 K
Température du soleilNon significatif5780 K souvent arrondi à 6000 K

Le mot chaleur a quant à lui deux acceptations bien différentes :
– d’un point de vue courant, la chaleur caractérise un état chaud ou la sensation ressentie par un état chaud
– d’un point de vue scientifique, la chaleur est équivalent d’un transfert thermique.

Transmission de chaleur

La transmission de chaleur ou le transfert thermique – c’est à dire transfert de l’agitation thermique à l’intérieur d’un même corps ou d’un corps à l’autre – peut être réalisé de trois manières différentes : la conduction, la convection et le rayonnement.

La conduction et la convection sont régulièrement associées et seront traitées en première partie. Le rayonnement, par nature sensiblement différent et plus complexe, sera étudié dans un second temps.

Conduction et convection

La conduction

La conduction consiste en la transmission d’une différence de température de proche en proche, sans déplacement de matière.

Quelques exemples de conduction thermique :
– Des barrettes LED fixées sur un profil ou radiateur en aluminium : la chaleur dégagée par les LED est évacuée dans la direction opposée à l’émission de lumière (à l’arrière) et cette chaleur est transmise à l’aluminium qui sera refroidit par conduction/convection par l’air ambiant
– Si une personne touche une ampoule halogène de forte puissante, la chaleur ressentie a été transférée par conduction

Une propriété physique des matériaux est très importante pour étudier la conduction thermique, il s’agit de la conductivité thermique. En effet, cette grandeur physique caractérise le transfert thermique par conduction et s’exprime en watt par mètre Kelvin (Wm-1K-1). Son unité correspond à la chaleur qui se propage dans le matériau par conduction au travers d’un mètre carré, sur une épaisseur d’un mètre et lorsque la différence de température entre les deux faces est d’un degré. La conduction est d’autant plus importante que la conductivité thermique du matériau est élevée, comme pour les métaux par exemple. A contrario, l’air par exemple est un isolant, voir le synoptique des conductivités thermiques de quelques matériaux ci-dessous.

Synoptique de quelques matériaux
Voici ci-dessous la conductivité thermique de quelques matériaux utilisés dans la fabrication des luminaires et dans l’éclairage. Les raisons de l’utilisation de l’aluminium comme radiateur apparaissent clairement (le cuivre est encore plus performant mais est environ trois fois plus cher et se travaille plus difficilement).

MatériauConductivité thermique
(Wm-1K-1) à 20°C
Acier 46
Air 0,02
Aluminium 237
Cuivre 390
Inox 26
PMMA 0,18
Polycarbonate 0,20
Verre 1,2
Zamac 113

La convection

Contrairement à la conduction – où il n’y a pas de déplacement de matière -, la convection concerne les échanges de chaleur où une différence de température est transmise par déplacement d’un fluide (gaz ou liquide). Il peut s’agir de convection naturelle ou de convection forcée.

– La convection naturelle est souvent associée à la conduction : en effet, dès qu’un gaz est chauffé par conduction (par exemple l’air en contact avec un solide chaud), l’air proche du solide est chaud donc s’élèvera et sera remplacé par de l’air plus froid. Un courant d’air naturel est ainsi créé qui favorisera les échanges thermiques : il s’agit de convection naturelle. Les sources d’éclairage chauffent et transfèrent donc toutes de la chaleur par conduction/convection.

– La conduction forcée est générée par un dispositif spécifique exploitant le phénomène de convection : un ventilateur est un très bon exemple de conduction forcée (c’est ce qui permet par exemple de refroidir les composants électroniques des ordinateurs). Quelques refroidisseur actifs (c’est à dire alimentés électriquement et donc consommant de l’énergie) basés sur la convection forcée sont apparus au début de l’utilisation des LED dans l’éclairage professionnel de petites dimensions comme les downlights. Avec une meilleure maîtrise thermique et l’augmentation de l’efficacité des LED, ils ont été rapidement abandonnés.

Le rayonnement

Le troisième type de transfert thermique est radicalement différent des deux précédents, notamment par la possibilité de transfert sur de grandes distances : il s’agit du rayonnement, c’est à dire d’un transfert d’énergie par une onde électromagnétique (infrarouge, lumière…). La chaleur du soleil est l’exemple le plus évident et naturel mais de nombreux appareils de chauffage (radiants) fonctionnement également sur ce principe.

 

De manière générale, toute onde électromagnétique rayonne et donc transfert de l’énergie. Et dès qu’une onde rencontre un corps – suivant sa longueur d’onde et la nature du corps -, cette onde est réfléchie (et restitue l’énergie incidente) et/ou absorbée (et le corps conserve l’énergie incidente). L’absorption d’une onde peut donner lieu à différents phénomènes :
– Dégagement de chaleur : la chaleur étant l’énergie la plus dégradée qui existe, elle peut composer la majorité jusqu’à la totalité de la transformation d’énergie de l’absorption.
– Autres transformations : il peut s’agir d’une ionisation, c’est à dire l’arrachement d’un électron, ce qui est possible uniquement pour les ondes de longueurs d’onde inférieures aux UV (les autres ne véhiculent pas assez d’énergie). La lumière visible ou les infrarouges ne sont donc pas concernés. D’autres phénomènes peuvent également se produire suivant les matériaux rencontrés comme les UV qui provoquent par exemple le brunissement de la peau (bronzage).

Plus spécifiquement l’absorption d’une onde dans le domaine du visible – donc de la lumière – peut générer :
– Un dégagement de chaleur, qui constitue la totalité ou la quasi totalité de l’énergie absorbée. Ce phénomène peut être observé par l’effet de vêtements noirs qui sont plus chauds que des vêtements blancs, voir l’explication ci-dessous.
– D’autres transformations (de manière très marginales pour le visible) : étant donné que ce type d’onde n’est pas assez énergétique pour provoquer d’importants changements comme une ionisation, il s’agit d’échanges avec des corps photosensibles que ce soit des matériaux (composé argentique pour la photographie du même nom), d’organes (photorécepteurs de l’œil – cônes et bâtonnets – qui convertissent l’énergie reçue en courant électrique dans le nerf optique ou cellules à mélanospine) ou par exemple du phénomène de photosynthèse pour les plantes. De manière générale, ces phénomènes peuvent être négligés par la fréquence de leur apparition et surtout par leurs très faibles intensités.

Absorption des rayonnements émis par les sources d’éclairage : UV, visible et infrarouge

Globalement plus une onde est énergétique plus elle a de possibilité de transformer l’énergie absorbée en énergie “noble”, c’est à dire pas en chaleur qui est l’énergie la plus dégradée. Suivant le schéma plus haut, la limite d’ionisation – c’est à dire avoir la possibilité d’arracher un électron – correspond au domaine des UV. Cela signifie que les infrarouges et les ondes visibles ne sont pas assez puissantes pour ioniser et que globalement toute l’énergie absorbée est convertie directement en chaleur.  Quant aux UV, cela dépend de leur longueur d’onde d’où les différentes entre les UV-A (400-315 nm, peu nocifs), les UV-B (315-280 nm, responsable du bronzage) et les UV-C (280-100 nm, très nocifs mais filtrés par l’ozone de l’atmosphère). Globalement, comme il est précisé dans la partie dédiée à la chaleur des sources, comme très peu d’UV sont dégagés pas les lampes de manière générale, et une très bonne approximation est de considérer que tout rayonnement électromagnétique émis par les lampes est directement converti en chaleur.

Pourquoi des vêtements noirs sont plus chauds que des vêtements blancs
Les ondes visibles – qui représentent une partie de la chaleur émise par le soleil ou une source artificielle – sont entièrement absorbées par la couleur noire et complètement réfléchies par la couleur blanche. Donc suivant ce qui est expliqué ci-dessus, toute la partie de l’énergie thermique émise dans le visible sera convertie en chaleur par un vêtement noir et réfléchie par un vêtement blanc, ce qui peut représenter une proportion plus ou moins grande suivant la source de lumière (environ la moitié pour le soleil par exemple – c’est à dire un corps noir à 5780 K -, un quart pour des lampes incandescentes – c’est à dire un corps noir à 4000 K -, et environ un tiers pour les LED).

A noter

Les sources ou lampes génèrent généralement des ondes électromagnétiques en dehors de la plage visible (UV ou infrarouge par exemple), qui peuvent être un vecteur très important du transfert thermique. C’est le cas par exemple pour les lampes de type incandescente dont environ 75% de l’énergie consommée est transformée en d’infrarouge (voir ci-dessous la courbe d’émission d’un corps noir à 4000 K par exemple).

A noter

Comme chaque onde est associée à une particule, cela est équivalent à un transfert d’énergie par une particule (comme le photon par exemple).

Corps noir
D’après la théorie du corps noir, tout corps ayant une température supérieure à 0 K émet un rayonnement thermique : à partir d’environ 1000 K le rayonnement commence à avoir une partie dans le visible en commençant par le rouge, voir le schéma ci-dessous donnant la relation entre la température du corps noir et sa couleur associée :

lumiere-temperature_proximale

Ce schéma montre que le soleil (environ 6000 K) a une lumière blanche tandis que le bout d’une cigarette (environ 800°C, c’est à dire près de 1100 K) est rouge.

Pourquoi les échanges de chaleur sont associés aux ondes infrarouges

Les ondes infrarouges sont des ondes électromagnétiques dont la longueur d’onde est comprise entre 780 nm et 1 mm, c’est à dire juste “après” (ou “avant” suivant l’ordre du spectre) le rouge du spectre visible, d’où leurs noms.

Comme expliqué ci-dessus et suivant la théorie du corps noir, tout corps à une température supérieure à 0°K émet un rayonnement électromagnétique et vers 300 K (c’est à dire 26,85°C donc à peu près la température de la terre), le rayonnement est situé dans les infrarouges.

Or plus la température augmente, plus le rayonnement se déplace vers les faibles longueurs d’onde (c’est à dire vers le visible). Il est donc possible de connaître la température d’un corps en connaissant précisément son rayonnement électromagnétique : par exemple, si un corps est à 310 K par exemple (c’est à dire environ 37°C, la température du corps humain), son rayonnement électromagnétique sera différent de celui d’un corps à 300 K  – et ce uniquement dans les infrarouges car ce sont les seules ondes concernées à cette température – et par conséquent il sera détectable par un détecteur infrarouge bien paramétré.

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