Loi de Planck et atmosphère.


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La loi de Planck ne serait pas respectée à l'échelle nano.

Electrodynamique fluctuante en action.
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Dans une expérimentation récente, une fibre de silice de 500 nm de diamètre (1nm=10^-9 m, soit un milliardième de mètre) n'aurait pas émis de radiations selon la loi de Planck. La fibre se réchaufferait et refroidirait suivant une théorie plus générale qui considère les radiations thermiques comme un phénomène fondamentalement désordonné. Selon les chercheurs, cela pourrait conduire à des lampes à incandescence plus efficaces et à l'amélioration de notre compréhension de changements du climat terrestre.
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La loi de Planck décrit comment la densité d'énergie à différentes longueurs d'onde d'une radiation électromagnétique émise par un corps noir varie en relation avec la température de ce corps. Elle fut formulée par le physicien allemand Max Planck au début du XXième siècle en utilisant le concept des quantas d'énergie, base de la mécanique quantique. bien qu'un corps noir soit un objet idéalisé, parfaitement émetteur et absorbant, cette permet des prédictions très précises du spectre d'émissions d'objets réels une fois les propriétés de surface de ces objets, couleur et rugosité, prises en compte.
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Toutefois, les physiciens savent depuis longtemps que cette loi ne s'applique pas à des objets aux dimensions qui sont plus petites que la longueur d'onde de la radiation thermique. Planck supposait que toute radiation heurtant un corps noir était absorbée à sa surface, ce qui implique que cette surface est aussi un émetteur parfait. Mais si l'objet n'est pas assz épais, la radiation incidente peut fuir par le coté opposé de l'objet au lieu d'être absorbée, ce qui réduit l'émission.

Les anomalies spectrales déjà connues.

D'autres chercheurs avaient déjà montré que des objets très petits ne se comportaient pas selon la loi de Planck. Par exemple, en 2009, Chris Regan et ses collègues de l'Université de Californie, avaient signalé des anomalies d'émission dans le spectre de radiations émises par un nano-tube de carbone long de 100 atomes. Christian Wuttke et Arno Rauschenbeutel de l'Université de technologie de Vienne avaient été plus loin en montrant par expérimentation que les émissions d'un objec très petit suivaient les prédictions d'une autre théorie.
L'expérimentation.
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Pour produire la fibre de 500 nm d'épaisseur utilisée, Wuttke et Rauschenbeutel ont chauffé et tiré une fibre optique standard. Puis ils ont chauffé la section ultra-fine de quelques millimètres de long avec un rayon laser et ont utilisé un autre laser pour mesurer l'échauffement puis le refroidissement qui suit. Pris entre deux miroirs intégrés à la fibre à une distance fixée, ce second rayon laser a émis de manière cyclique en résonance avec les changements de température qui variaient selon l'index de réfraction de la fibre et donc avec la longueur d'onde qui la traversait.
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figrplanck.jpg
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En mesurant la durée entre deux résonances, les chercheurs ont trouvé que la fibre chauffait et se refroidissait bien plus lentement que selon la loi de Stefan-Boltzmann. Cette loi est une conséquence de la loi de Planck et définit comment la puissance totale radiée par un objet varie avec sa température. Ils ont trouvé au contraire que le taux observé suit de très près ce qui est prédit dans le cadre de la théorie connue sous le nom d'électrodynamique fluctuante (Fluctuational electrodynamics), qui prend en compte non seulement les propriétés de surface d'un objet mais aussi sa taille, sa forme sa longueur d'onde caractéristique d'absorption. Quand un objet est bien plus large que la longueur d'onde émise, l'effet de surface domine. Quand cet objet est plus petit que la longueur d'onde, la radiation peut être alors émise en tout point de son volume : la géométrie de la particule joue alors un rôle. Dans l'expérience de Wuttke, la puissance totale radiée a pu être mesurée pour la première fois et est conforme au modèle testé. La loi de Planck ne peut être utilisée, même en faisant appel à un facteur correctif.


Lampes à incandescence.

Selon Wuttke, ce travail peut avoir des applications pratiques. Ainsi, cela pourrait permettre une amélioration de l'efficacité des ampoules traditionnelles à incandescence. Ces lampes génèrent de la lumière parce qu'elle sont chauffées au point où le pic de leur spectre d'émission est proche des longueurs d'onde visibles, mais beaucoup d'énergie est perdue car une partie de la puissance passe en infrarouges. Un filament de 500 nm de diamètre utilisé dans une lampe avec une antenne très courte ne permettra pas l'émission d'infrarouges (longueur d'onde supérieure à 700 nm) et augmentera les émissions dans le visible. Toutefois, il faudra trouver d'autres matériaux que la fibre optique, qui est un isolant et est transparente à la lumière visible. Des recherches en ce sens seront donc nécessaires.

Application aux particules de l'atmosphère.

Ces résultats peuvent aussi aider à mieux comprendre comment de petites particules de l'atmosphère, comme celles issues de l'érosion des sols, de la combustion ou d'éruptions volcaniques contribuent au changements de climat. Ces particules peuvent refroidir l'atmosphère, en réfléchissant les radiations incidentes ou la chauffer en absorbant les radiations thermiques de la planète. En connaissant la forme et les caractéristiques de ces particules, on peut ainsi travailler à déterminer le rendement et les longueurs d'ondes des radiations thermiques émises. Mais il y a encore beaucoup de travail avant d'en arriver à travailler sur les conditions réelles.

Vers une évolution de la loi de Planck à l'échelle nano ?

Il n'y a pas de remise en cause de la mécanique quantique. La théorie de Planck est limitée par l'hypothèse qu'absorption et émission sont des phénomènes de surface et en négligent les phénomènes de vagues. Le principe des quantas d'énergie reste valide. Les statistiques quantiques qui sont utilisées dans l'expérience, n'entrent pas en contradiction avec la mécanique quantique. Les chercheurs suggèrent d'ailleurs d'utiliser un modèle d'émissivité qui incorpore la transparence d'une fibre optique très fine afin de permettre à la loi de Planck de décrire plus précisément la radiation de ces très fins émetteurs.

Prépublication : arXiv

Source1

Source2

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36 réponses à “Loi de Planck et atmosphère.”

  1. A propos des lampes à incandescence qui émettent aussi de l’infrarouge ce qui est considéré comme une perte (en fait, ça chauffe) et qu’on pourrait améliorer, il existe d’autres solutions : les LEDS qui émettent dans le bleu ou le visible. De la lumière froide.
    Dans ce cas, il ne s’agit évidemment pas d’émission thermique.

  2. Bob (#1),
    Bien sur, on n’attend pas d’une ampoule à incandescence quelle chauffe en plus d’éclairer mais cette quantité de chaleur est faible (en valeur absolue).

    Dans les pays chauds et en été chez nous, cet apport de chaleur n’est pas utile, mais dans les pays froids et en hiver, on peut dire que la chaleur produite participe au chauffage des locaux de manière modeste si la maison est isolée moyennement et moins modeste dans une très bonne isolation.

    Je me demande encore pourquoi on a changé d’ampoule! L’économie réalisée est très relative.
    On a parlé, dans des récents commentaires du bien fondé de ces ampoules et de la pollution due au mercure.
    La récupération de celui-ci est le fond de commerce de société de recyclage mais ce qu’on avait pas dit c’est que ces ampoules contiennent aussi des terres rares dont la chine détient le monopole de production. Donc des entreprises comme Solvay se lancent en France pour récupérer ces terres rares.

  3. ma foi quel est l’impact de cette découverte sur les modèles climatiques sont-ils encore plus faux ????

    les molécules de CO2 sont des picos objets donc ne suivent pas les lois de Planck ni de Stefan Boltzmann ….

  4. Bernnard (#2)
    Pour aller dans votre sens, l’éclairage représente en France 3% de la consommation électrique.
    En hiver, le remplacement des ampoules à incandescence par des basses consommation dans les locaux équipés de chauffage électrique n’a pas d’incidence sur la consommation puisque le chauffage non fourni par la lampe sera fourni par les radiateurs.
    En hiver, le chauffage non fourni par la lampe dans des locaux équipés de chauffage au fioul ou au gaz sera compensé par la chaudière qui dégagera, ( horreur!), un supplément de CO2.

    Je serais curieux de connaître le gain réel de cette pantalonnade.

  5. yvesdemars (#3),
    A mon avis, oui.
    Si l’on dit que les nanoparticules sont comparables à des GES (absorption et réémission) il n’y a pas de doute!

  6. les zozos de l’ISPL vont devoir manger leur chapeau …

    j’attendrais volontiers un article de J Duran là dessus

  7. François (#4),

    l’éclairage représente en France 3% de la consommation électrique.

    Suggestion de Philippe Geluck (Les réflexions du chat) pour des économies à faire :

    Je filme une lampe de 100 W ;
    Et ensuite, je me passe la cassette ;
    Et ça me fait 120 minutes de lumière gratos.

    [Je sors]

  8. François (#4),

    Le vendeur de mon magasin de bricolage m’a expliqué un jour que c’était un coup fumant des fabricants d’ampoules ! Je ne sais pas. En tout cas les escrolos environnementeurs qui pestent contre l’obsolescence programmée, sans même connaître le sens du mot, là, ils ont vraiment apporté cette obsolescence aux méchantes, caca, salopes, multinationales sur un plateau.

  9. Bon si je comprend bien, quelles que soient les lois, les courbes de températures moyennes fluctuent en se moquant de Sapiens

  10. monmon (#9), loi de la marche aléatoire pour la température : quand 3 lignes de code R fait mieux que les simulations à la noix (appelées « expériences » par le grand climatologue post-moderne Le Treut) de la science Nintendo de l’Eglise de Climatologie.

    s = 0.1238 ; n = 150
    y = cumsum(rnorm(n,0,s))
    plot((2008-n):2007,y,type="l", xlab="Year", ylab="Temperature Anomaly (C)")

  11. miniTAX (#10),

    Ca chauffe !

    les climatosceptiques peuvent toujours jaser mais les faits sont têtus.

    Les scientifiques viennent – encore, comme si cela était nécessaire ! – de produire une courbe de température en utilisant une nouvelle technique révolutionnaire dite ‘cumsum-rnorm’.

    Les résultats de la simulation, irréfutables d’après le Professeur Nintendo Directeur du GSICJC, sont sans appel : la température moyenne grimpe sans discontinuer depuis 1850.
    En bref, ça chauffe, et les conséquences sont déjà visibles et catastrophiques, comme les dernières inondations en Espagne ou les cyclones, particulièrement nombreux, au Japon.

    Nul doute que cette étude supplémentaire est un pas majeur dans la compréhension des mécanismes du climat, et permettra aux décideurs d’orienter davantage les politiques vers un développement accru des énergies durables.

    GSICJC : Groupe de Simulation Informatique sur Console de Jeu du Climat

    Murps, pour le service « climat » de la rédaction

    Email : Murps_special_turf@foiredutrone.fr

    Les commentaires de cet article sont modérés.

  12. A propos de la formule de Planck aux petites échelles, il existe bien d’autres lois classiques qui ne fonctionnent plus dans les domaines microniques ou sub microniques.
    C’est, par exemple, le cas des lois de la physique des fluides.
    C’est pourquoi une nouvelle discipline est née qui s’appelle la « microfluidique » et qui vise à ré-écrire les lois de la méca flu aux petites échelles dans la perspective des micro-puces et des actuateurs destinés à la pharmacologie. Par exemple, si on cherche à implanter des dispositifs microscopique qui pourraient distribuer un médicament selon un programme établi.

    Du point de vue de la physique, on comprend qu’il soit plus difficile de pousser un liquide dans un micro-tuyau que dans un tube millimétrique.
    En effet, à cette échelle, les forces capillaires deviennent prépondérantes. Si on veut descendre encore plus bas (par exemple aux dizaines ou centaines de nm), il faut tenir compte du film précurseur de mouillage qui n’est pas connu depuis plus de 15 ans et qui est évidemment totalement oublié en hydrodynamique classique.

  13. Bob (#12),

    Du point de vue de la physique, on comprend qu’il soit plus difficile de pousser un liquide dans un micro-tuyau que dans un tube millimétrique.

    Tout à fait d’accord! la tension superficielle des liquides, par exemple, n’intervient que faiblement dans l’échelle macroscopique.
    Mais à l’échelle des insectes c’est un vrai voile à la surface d’un liquide. Une araignée d’eau utilise cette tension.
    L’hydrophobie des pattes de ces insectes leur permet d’utiliser la tension superficielle de l’eau.

    Il en est de même pour une goutte d’eau qui paraitra plus visqueuse sur un support hydrophobe à faible échelle.

  14. Bob (#12),
    Du point de vue de la physique, on comprend qu’il soit plus difficile de pousser un liquide dans un micro-tuyau que dans un tube millimétrique.
    ————————————–
    C’est un peu pour cela que croire que l’huile de schiste va remplacer le pétrole conventionnel est joli rêve

  15. Marot (#15),
    Ben , Bob a expliqué; après il suffit de savoir que la taille des pores dans une roche mère ( en général des argiles et des schistes) est en géneral 1000 fois inférieur à celle d’un réservoir conventionnel et qu’en conséquence la perméabilité est environ un million de fois inférieur
    http://www.total.com/fr/nos-en…..01868.html

  16. Bernnard (#13),

    paraitra plus visqueuse sur un support hydrophobe à faible échelle

    C’est un peu ça, mais viscosité et forces capillaires sont deux notions bien distinctes.

  17. Marot (#19),
    Bah… aucune importance, la situation aux US montre que, rêvés ou pas… le pétrole et le gaz de schistes, c’est de l’énergie bon marché 😉

  18. Marot (#19),
    Parce que les gens font des calculs de volumes de roche et d’huile en place et qu’ils n’ont aucun recul sur les productions et les réserves

  19. Bob (#18),
    Oui je sais que c’est différent, d’autant plus que lorsqu’on parle de viscosité il faut préciser laquelle. Je voulais parler de viscosité dynamique où il y a une interaction avec le support (contrainte de cisaillement).
    Par contre les forces capillaires ont à voir avec la tension superficielle.

    J’ai utilisé une image qui n’est pas rigoureuse j’en convient pour essayer de décrire ce qui se passe à des échelles minuscules.

    Ces forces que vous avez appelées des forces capillaires permettent à des grand volumes d’eau de « monter » sans pompe, à de grandes hauteurs
    Si je ne me trompe la sève « monte » très haut dans les arbres et la capillarité aidée de la transpiration des feuilles et des phénomènes d’osmose, permet à de grands volume d’eau de se hisser largement au dessus des 10m33 , limite permise par la gravité.
    Ce que je sais, c’est que j’ai pu isoler un mur de ma vieille maison qui « pompait » l’eau du sol par capillarité ( par temps sec) à une a hauteur de 10m jusqu’aux chevrons.
    J’ai isolé le mur en faisant injecter à la base de celui-ci,juste au dessus des fondations, une résine polymérisable hydrophobe dans les micro pores du mur. Ça a bien fonctionné!

  20. the fritz (#21),

    Et pourquoi ils n’auraient aucun recul sur les réserves ? Surtout sur du gaz: il suffit de lâcher la pression (en allumant hein!) pendant 24 ou 48 heures et de mesurer la différence de pression, si elle est mesurable (sinon, ça veut dire que le gisement est… gros).

  21. Bernnard (#22),

    Si je ne me trompe la sève “monte” très haut dans les arbres et la capillarité aidée de la transpiration des feuilles

    C’est vrai. Il y a eu un très joli problème de physique sur cette question au concours d’entrée à l’X, il y a quelques années.

  22. Bob (#24),
    Les séquoias à feuilles d’if peuvent mesurer plus de 100 mètres de hauteur pour un diamètre approchant huit mètres. Hypérion, avec ses 115,55 mètres, est l’arbre le plus haut du monde.
    Wikipédia

  23. Mihai V (#25), L’arbre le plus haut du monde a été un temps, un eucalyptus d’Australie qui mesurait 142 mètres de haut. On a pu connaître très précisément cette dimension car une tempête l’a abattu. On a pu alors le mesurer aisément. Cela se passait dans les années 1980.
    Duramen

  24. BLARD Jean-Louis (#26),
    Merci de cette précision.

    Mais cet eucalyptus n’est plus… RIP

    Entre nous, je m’étonne de la précision de la mesure de la hauteur de l’Hypérion, donnée au cm près sur Wikipedia.

  25. Mihai V (#27)
    Comme tout calcul de triangulation, on peut avoir autant de chiffres qu’on veut après la virgule.
    Il faut par contre un peu de cervelle et de réflexion pour choisir le nombre de chiffres significatifs.
    Et là c’est une autre histoire…
    La preuve, il y a des experts mondialement reconnus qui vous donnent des évolutions de température avec 4 chiffres après la virgule en ayant fait des « corrections » ( variables) sur le chiffre avant celle ci…

  26. Parce que les gens font des calculs de volumes de roche et d’huile en place et qu’ils n’ont aucun recul sur les productions et les réserves

    the fritz (#21), oui donc si les gens qui y travaillent « n’ont aucun recul », a fortiori, toi, tu en as encore bien moins ! Donc ton affirmation sur le soit-disant « joli rêve » repose sur du vent, comme dab.
    Ce n’est pas en affirmant une croyance avec aplomb que tu vas la transformer en Vérité. Mais merci quand même pour l’enfumage.

  27. François (#28),

    Je connais bien ce problème du nombre de décimales utiles à conserver.

    J’ai encore à portée de main, dans un tiroir de mon bureau, ma bonne vieille règle à calcul Faber-Castell Novoduplex, que j’ai utilisée tout au long de mes études. A l’époque même les calculatrices électriques étaient une denrée rare pour les étudiants.
    J’ai acheté pour mon épouse sa première vraie calculette électronique de poche quand j’étais caserné en Allemagne en 1975.

    A ceux qui s’amusent à afficher un résultat de calcul avec une dizaine de décimales, je dis que prendre 355/113 (facile à retenir) pour valeur de Pi ne changera pas grand chose sur le résultat par rapport à la valeur avec 32 chiffres significatifs de la calculette de Windows.

    Dans les deux cas on a 3,141593 en arrondissant à six décimales.

  28. Mihai V (#31)
    Intéressant votre 355/113 pour Pi.
    Echange de bons procédés, mon prof de maths en 5° nous avait donné un moyen mnémotechnique pour connaître les 10 premières décimales de Pi (tout en nous disant que cela ne servait à rien). Il suffit de remplacer chaque mot de la phrase suivante par son nombre de lettres:
    Que j’aime à faire apprendre un nombre utile aux sages.
    Soit: 3 , 1 4 1 5 9 2 6 5 3 5
    Bonne journée.

  29. François (#32),

    Ce 355/113 n’est pas de moi, malheureusement 😉

    Cette approximation de PI 355/113 est attribuée au mathématicien et astronome chinois Zu Chongzhi (429 – 500). Il l’aurait établie vers 465.

    Elle fait partie des représentations fractionnaires avec l’avantage d’une bonne précision et d’être facile à retenir par rapport aux suivantes :

    355/113 (7), 103993/33102 (9) , 104348/33215 (10), …

    Les nombres de chiffres significatifs exacts sont indiqués entre parenthèses.

    J’écris la suite 11 33 55, je la coupe au milieu et je divise le plus grand nombre 355 par le plus petit 113.

  30. François (#32),

    Que j’aime à faire apprendre un nombre utile aux sages.
    Soit: 3 , 1 4 1 5 9 2 6 5 3 5

    C’est ce que mon père – prof de maths à la retraite – avait enseigné à ses quatre enfants (dont moi).
    Vous venez de rafraîchir ma mémoire, alors que ce moyen mnémotechnique en avait complètement disparu… sad

  31. miniTAX (#30),
    Je me disais , qu’est-ce qui peut bien arriver à miniTax ; il est présent sur le blog et ne m’a pas encore traité; voilà c’est chose faite, l’oubli réparé
    Mais pour en savoir un peu plus sur les GDS, Je te propose d’aller là
    http://www.fondation-tuck.fr/R…..ct2012.pdf

    Je n’y serais pas parce que j’ai passé une semaine avec l’animateur en excu geol et puis je n’aime pas les salons où l’on cause; mais je suis persuadé qu’ils apprécieraient ton style de réplique

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