Rayonnement thermique : 150 questions de concours corrigées
30 épreuves X-ENS, Mines, Centrale, CCINP et Banque PT, sessions 2017 à 2026, filières MP, MPI, PSI, PC, PT, TSI et BCPST.
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Rayonnement du corps noir, lois de Planck, Wien et Stefan-Boltzmann, flux radiatif, bilans radiatifs, température d'équilibre, effet de serre et albédo.
Au programme : en spé (2e année) pour PC et MPI.
Les questions, avec indice et corrigé
150 questions, incontournables d'abord, puis de la plus accessible à la plus difficile.
CCINP Physique-Chimie TSI 2026, Q8
Rappeler les trois types de transferts thermiques. Décrire succinctement chacun d'eux.
- conduction thermique
- convection
- rayonnement thermique
CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MPI 2025, Q20
Indiquer quels sont les différents modes de transfert thermique possibles. Préciser, avec justification, celui qui est mis en jeu lors du chauffage de la cathode par le filament.
X-ENS Physique MPI 2023, Q34
Quelle est la dépendance en température de l'aire sous un spectre de corps noir ?
ENS Physique C PC 2021, Q32
Donner la valeur numérique de la longueur d'onde pour laquelle l'émission de rayonnement terrestre est maximale. Donner les bornes du domaine de longueurs d'onde où est émis l'essentiel de l'énergie.
- loi de wien
- spectre infrarouge
CentraleSupélec Physique 1 PC 2026, Q19
Sachant que |T_∞ - T_g|/T_∞ ≪ 1, montrer qu'on peut écrire le flux thermique radiatif sous la forme : φ_th,rad = (T_∞ - T_g)/R_rad où R_rad est la résistance radiative qui s'exprime en fonction de…
CentraleSupélec Physique 2 PC 2026, Q27
À l'aide d'un bilan d'énergie, montrer que T(t) vérifie l'équation différentielle suivante : dT/dt + a T⁴ = b où a et b sont des constantes positives à exprimer en fonction de Pₜ, S, m, c et σ.
CentraleSupélec Physique 2 PC 2026, Q30
Compléter la fonction suivante qui renvoie deux listes, l'une contenant les valeurs du temps entre 0 et 150 jours, l'autre les valeurs correspondantes de température, en utilisant exclusivement des…
- méthode d'euler
CCINP Physique-Chimie TSI 2026, Q14
Exprimer la puissance totale P_s reçue par la Terre par rayonnement solaire en fonction de Π_m,s et de R_T, le rayon de la Terre. En évaluer un ordre de grandeur. On pourra faire les approximations…
CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MPI 2025, Q22
À l'aide d'un bilan énergétique entre t et t+dt, établir l'équation différentielle régissant l'évolution temporelle de la température du filament T(t) (supposée uniforme). On pourra négliger le flux…
CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MPI 2025, Q25
Déterminer la couleur du filament lorsqu'il est chaud.
CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q27
Justifier que la puissance absorbée doit être égale à la puissance émise, puis en déduire l'expression et la valeur de la température d'équilibre Tₘ pour la surface de Mars en l'absence…
CentraleSupélec Physique-Chimie 1 MPI 2024, Q21
Montrer que l'énergie E₁₂ du rayonnement électromagnétique prisonnier de la cavité et de fréquences comprises entre ν₁ et ν₂, s'exprime comme suit, moyennant un changement de variable : E₁₂ = V (8π…
- loi de planck
- rayonnement du corps noir
Polytechnique Physique A PC 2023, Q2
On peut également démontrer une autre loi à partir de la loi de Planck, la loi de Stefan-Boltzmann. En intégrant la loi de Planck sur l'ensemble du spectre électromagnétique, montrer que la…
X-ENS Physique MPI 2023, Q31
On note Φ la puissance surfacique moyenne reçue du Soleil par la Terre, dont une fraction α est réfléchie vers l'espace. Quelle est la température T_E d'un corps noir qui rayonne une puissance…
ENS Physique BCPST 2021, Q2
À l'équilibre thermodynamique, en effectuant un bilan de puissance sur la Terre, déterminer sa température T_T,eq en fonction de celle du Soleil T_S et de β. Donner la valeur numérique (avec 3…
ENS Physique BCPST 2021, Q14
Donner l'expression de la puissance radiative P_c traversant la lentille. Donner sa valeur avec un chiffre significatif. Donner la valeur du rayon r_c de la tache lumineuse où le faisceau solaire…
ENS Physique C PC 2021, Q44
La fraction du rayonnement solaire réfléchie par les nuages, l'atmosphère et le sol est appelée albédo α. Nous prendrons α = 0,3. En utilisant la valeur de la constante solaire, déterminer la valeur…
- bilan radiatif global
- constante solaire
CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q30
À partir de deux bilans de puissances, déterminer la température d'équilibre du sol martien, T'ₘ, en présence d'une atmosphère en fonction de P_s,e, α, ε et rₘ, puis en fonction uniquement de Tₘ et ε.
Polytechnique Physique A PC 2023, Q1
La loi de Wien permet de relier la longueur d'onde correspondant au maximum d'irradiance lumineuse donné par la loi de Planck en fonction de la température de surface du corps noir chauffé : λₘₐₓ ×…
ENS Physique BCPST 2021, Q3
Si la température de la Terre passe uniformément à T_T = T_T,eq + Δ T, donner la différence de puissance Δ P entre les puissances alors reçue et émise par la Terre (on supposera que |Δ T| ≪ T_T,eq…
ENS Physique C PC 2021, Q35
Nous admettons que la tranche d'atmosphère émet un rayonnement thermique dans toutes les directions. Le rayonnement émis dans la direction e_z vaut A_λ k_λ ρ dz (voir partie 1.4). En effectuant un…
ENS Physique C PC 2021, Q48
On définit la température d'émission Tₑ par σ Tₑ⁴ = U_Lt. Calculer Tₑ en fonction de la température en haut de l'atmosphère, Tₜ, puis calculer numériquement Tₑ avec deux chiffres significatifs…
- température d'émission effective
ENS Physique C PC 2021, Q62
Justifier qualitativement que Hₜ augmente si la concentration en CO₂ augmente. Tracer les profils verticaux de température pour la concentration de CO₂ initiale et une concentration plus élevée. On…
- effet de serre
- élévation de la tropopause
CentraleSupélec Physique 2 PC 2026, Q29
On a ici une équation différentielle de la forme y'(t) = f(y). En supposant que les paramètres a et b ont été préalablement définis, compléter la fonction suivante.
- méthode d'euler
CentraleSupélec Physique 2 PC 2026, Q31
Commenter la figure 11.
CCINP Modelisation PC 2026, Q45
Compléter l'instruction 4 qui définit la fonction f considérée.
- bilan d'énergie
- programmation python
CCINP Physique-Chimie MPI 2026, Q26
On note P_T la puissance reçue à la face supérieure totale de l'atmosphère terrestre. Exprimer la puissance P_T en fonction de P_S et des constantes pertinentes.
CCINP Physique-Chimie MPI 2026, Q27
Montrer que la puissance totale émise de la surface du soleil P_S peut s'exprimer en fonction de λ_S par la relation : P_S = σ S_S (C_W/λ_S)⁴ dans laquelle C_W est une constante qui vaut C_W ≈ 0,03…
CCINP Physique-Chimie TSI 2026, Q17
L'application numérique donne T_S = 257 K. Conclure qualitativement sur l'influence de la présence d'une atmosphère sur la température de surface de la Terre.
X-ENS Physique MPI 2024, Q14
En pratique, ce mécanisme ne permet pas de diminuer indéfiniment la vitesse des neutrons, car les noyaux ne sont pas immobiles, mais ont un petit mouvement dû à l'agitation thermique. Pour le…
- mode de transfert thermique
- rayonnement thermique
Mines-Ponts Physique 1 PC 2024, Q5
À quel moment de la journée le chauffage par le Soleil est-il le plus efficace ? Justifier la réponse.
Mines-Ponts Physique 1 PSI 2024, Q5
À quel moment de la journée le chauffage par le Soleil est-il le plus efficace ? Justifier la réponse.
CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q23
Exprimer la puissance totale émise par la surface du Soleil, notée P_s,e.
CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q24
Exprimer la puissance moyenne surfacique reçue par le sol martien, p_m,i, au niveau de l'orbite de Mars.
CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q26
Exprimer la puissance émise par la planète, notée P_m,e.
CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q28
Indiquer à quel domaine du rayonnement électromagnétique correspond le rayonnement émis par le Soleil. Préciser également à quel domaine du rayonnement électromagnétique doit correspondre le…
- loi de wien
- spectre électromagnétique
CentraleSupélec Physique-Chimie 1 MPI 2024, Q18
Préciser l'unité dans le système international de la densité spectrale d'énergie u(ν) qui intervient dans l'équation II.1.
- rayonnement du corps noir
- analyse dimensionnelle
Polytechnique Physique A PC 2023, Q4
Le spectre observé à 1000 K est-il en accord avec la couleur jaune-orangée observée ?
- spectre du corps noir
- couleur de corps noir
Polytechnique Physique A PC 2023, Q5
Dans le cas du premier modèle, où l'émissivité est supposée constante, décrire comment évoluent les lois de Wien et de Stefan-Boltzmann. Tracer alors sur un même graphique l'allure du spectre du…
CCINP Physique-Chimie TSI 2022, Q41
En utilisant le tableau 3 et la figure 6, calculer, dans le cas de l'ensoleillement moyen (500 W⁻²), la puissance reçue par le panneau.
- éclairement
- puissance surfacique
ENS Physique BCPST 2021, Q8
En utilisant Q6, donner l'expression de P_O→ Sys en fonction de T, σ, r et α.
ENS Physique C PC 2021, Q34
Dans quel autre contexte rencontre-t-on une expression similaire à I_λ k_λ ρ dz pour l'absorption du rayonnement ?
- loi de beer-lambert
ENS Physique C PC 2021, Q40
Nous appelons U_Lt = U_L(τ = 0) la valeur de U_L en haut de l'atmosphère. Quelle est la valeur de D_L(τ = 0) ? On pourra utiliser la figure 8.
- condition aux limites
- rayonnement descendant
Mines-Ponts Physique 2 MP 2021, Q9
Déterminer la température de la surface de l'étoile naine LAWD 21.
CCINP Physique PC 2021, Q18
En considérant que le manchot et l'atmosphère rayonnent comme des corps noirs de températures respectives T_p et Tₑ très proches, on admet que le flux radiatif surfacique φ_r émis par le manchot…
Mines-Ponts Physique 2 PC 2017, Q1
Le flux radiatif surfacique à la surface du Soleil, considéré comme un corps noir, est donné par la loi de Stéfan φ = σ T⁴ où σ est la constante de Stéfan-Boltzmann et T la température de sa…
CentraleSupélec Physique-Chimie 1 MPI 2026, Q29
Évaluer l'ordre de grandeur de la longueur d'onde λ_T du rayonnement thermique à température ambiante. Préciser ce que l'on peut dire de la contribution des photons du rayonnement thermique dans la…
CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MPI 2026, Q35
Proposer le schéma électrique équivalent permettant de déterminer la résistance thermique totale Rₜₒₜ entre l'intérieur du corps du nageur et l'eau en fonction de R_rad, R_cc, R_peau, R_combi et en…
- schéma thermique équivalent
- association de résistances thermiques
CCINP Modelisation PC 2026, Q42
Exprimer la puissance thermique P_ray échangée par rayonnement thermique entre la tige et le gaz environnant en fonction de la constante de Stefan σ, a, L, Tₐ et de T_s.
CCINP Modelisation PC 2026, Q44
Effectuer un bilan énergétique de la tige et montrer que Tₐ vérifie l'équation suivante : σ Tₐ⁴ + H Tₐ = σ T_s⁴ + H T_s - i²/(2π² γ a³).
- bilan d'énergie
- régime stationnaire
CCINP Modelisation PC 2026, Q47
L'instruction finale : `print(f"La température Ta vaut : Dichotomie(f,298,1000,1):.0f K ")` renvoie le résultat : La température Ta vaut : 986 K. Commenter cette valeur.
CCINP Physique-Chimie MPI 2026, Q25
On considère le couple (R, uₑₘ). En s'appuyant sur l'analogie (R, uₑₘ) (j, µ c T), donner la relation générale analogue à celle donnée dans la question Q23. Dans notre cas particulier et en…
- bilan d'énergie électromagnétique
- vecteur de poynting
CCINP Physique-Chimie MPI 2026, Q29
On note Δ T la variation de température au niveau du sol terrestre pendant une durée τ. Exprimer Δ T en fonction des données utiles. Faire l'application numérique pour τ = 10 ans.
- bilan thermique
- capacité thermique
CCINP Physique-Chimie TSI 2026, Q15
En appliquant le premier principe de la thermodynamique à la planète Terre, établir une relation entre P_c et P_s en régime permanent.
CCINP Physique-Chimie TSI 2026, Q16
Établir l'expression de la température de surface T_S en fonction de Π_m,s et de σ.
CCINP Physique-Chimie TSI 2026, Q19
En s'appuyant sur les spectres des gaz à effet de serre fournis en annexe 1, expliquer l'écart observé entre le spectre sans atmosphère et le spectre en surface de l'atmosphère.
- effet de serre
- spectre d'absorption
CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MPI 2025, Q23
En déduire l'expression et la valeur numérique de la température d'équilibre T_éq du filament en régime stationnaire.
X-ENS Physique MP 2024, Q20
Calculer l'énergie moyenne E(ν) du mode électromagnétique de fréquence ν. Montrer que la densité spectrale d'énergie moyenne associée U(ν) s'écrit U(ν) = (8πν² V)/c³hν/(eβ hν - 1).
Mines-Ponts Physique 1 PC 2024, Q8
Le Soleil est un corps noir (voir formulaire) dont la température de surface est T_S = 5800 K. Estimer la valeur de H_ω. Sachant que l'épaisseur caractéristique de l'atmosphère est de l'ordre de 100…
Mines-Ponts Physique 1 PSI 2024, Q8
Sachant que le maximum d'émission du Soleil est centré sur la longueur d'onde d'un rayonnement vert, estimer la valeur de H_ω. Sachant que l'épaisseur caractéristique de l'atmosphère est de l'ordre…
- diffusion de rayleigh
- atténuation
- flux radiatif
CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q25
Exprimer la puissance totale absorbée par la planète, notée P_m,a.
CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q29
En respectant les conventions de notations adoptées, réaliser un schéma faisant apparaître les puissances surfaciques incidentes, absorbées et émises par la surface du sol martien et par son…
CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q31
Calculer la valeur du coefficient d'absorption ε qu'il faudrait pour obtenir une température moyenne au sol de 298 K sur Mars. Commenter le résultat.
CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q32
Déterminer la température d'équilibre du sol martien maximale envisageable en supposant que l'on soit capable d'optimiser les coefficients α et ε. Conclure.
CentraleSupélec Physique-Chimie 1 MPI 2024, Q22
Établir que le nombre N₁₂ de photons contenus dans la cavité, et dont la fréquence associée est comprise entre ν₁ et ν₂, s'exprime comme suit : N₁₂ = V (8π k_B³ T³)/(h³ c³) J_[ξ_1, ξ_2], où J_[ξ_1…
CentraleSupélec Physique-Chimie 1 MPI 2024, Q23
Déduire des équations II.2 et II.3 une expression de l'énergie moyenne individuelle des photons contenus dans la cavité et dont les fréquences associées sont comprises entre ν₁ et ν₂. Préciser…
CentraleSupélec Physique-Chimie 1 MPI 2024, Q25
En déduire une estimation de la valeur du facteur de réduction de la puissance émise dans l'infrarouge par les différents éléments du télescope lorsque la température de celui-ci passe de la valeur…
CentraleSupélec Physique-Chimie 2 TSI 2024, Q31
Pour une seule des cinq parois modélisées par une couche de tartre et une couche de béton, exprimer R_conv et R_ray. Déterminer leurs valeurs numériques.
- résistance thermique de convection
- résistance thermique radiative
X-ENS Physique MPI 2023, Q35
Comment varie la position du maximum nₘₐₓ du spectre de corps noir en fonction de T ?
- loi du déplacement de wien
- corps noir
Banque PT Physique B PT 2023, Q15
Les héliostats suivent la course du soleil pour ramener le maximum de puissance solaire vers la chaudière. On note Φ_h la puissance maximale captée par un héliostat au cours de la journée. Il se…
- flux solaire
- effet de projection
ENS Physique BCPST 2021, Q5
Montrer que l'aire de la surface interne S_int de l'enceinte est S_int = 2π R² (1+cos (α)). En déduire la puissance P_E→ int émise par l'enceinte vers l'intérieur de celle-ci. En admettant que la…
- facteur de forme
- flux radiatif
ENS Physique BCPST 2021, Q6
En utilisant le fait que le rayonnement de corps noir d'un objet sphérique est émis de façon isotrope, quelle est la puissance P_O→ E émise par l'objet et qui est reçue par l'enceinte ? En déduire…
ENS Physique BCPST 2021, Q7
En utilisant Q5, en déduire la température T de l'objet à l'équilibre. On exprimera le résultat en fonction des températures de la Terre T_T et du Soleil T_S, ainsi que de β, r, R et α. En utilisant…
ENS Physique BCPST 2021, Q9
En déduire le flux radiatif Φ₂ entre l'objet et le Soleil. Par convention, nous orienterons ce flux du Soleil vers l'objet. On exprimera le résultat sous la forme : Φ₂ = σ T_S⁴ π (Rsin (α))² β² - σ…
ENS Physique BCPST 2021, Q13
En utilisant Q7, déterminer l'inégalité que doit alors vérifier T⁴. On fera apparaître T_T⁴, T_S⁴ et α. Sachant que T_S ≫ T_T, pour quel angle α la température de l'objet est-elle maximale ?…
- température maximale
- concentration solaire
ENS Physique C PC 2021, Q13
Pourquoi la composition relative en eau n'est-elle pas indépendante de la hauteur ? Même question pour l'ozone.
- condensation
- photochimie
ENS Physique C PC 2021, Q33
Comparer au spectre solaire en haut de l'atmosphère (figure 8) et commenter.
- loi de wien
- spectre solaire
ENS Physique C PC 2021, Q36
Expliquer qualitativement pourquoi ζ > 1 en 2 phrases maximum.
ENS Physique C PC 2021, Q37
Nous appelons D_λ le flux énergétique vers le bas et nous choisissons la convention D_λ > 0, avec ce flux vers le bas orienté selon -e_z (voir figure 9) Donner l'équation pour D_λ, en s'inspirant de…
- transfert radiatif à deux flux
ENS Physique C PC 2021, Q39
Nous considérons que l'atmosphère est à l'équilibre radiatif local, c'est-à-dire qu'il n'y a pas d'échauffement ni de refroidissement des tranches d'air liés à l'inhomogénéité du rayonnement…
- équilibre radiatif local
ENS Physique C PC 2021, Q43
Montrer que la température T est reliée à z selon l'expression : σ T⁴ = U_Lt/2(1 + τ₀ exp (-z/Hₐ)).
- loi de stefan-boltzmann
- profil de température
ENS Physique C PC 2021, Q45
Calculer avec deux chiffres significatifs la température en haut de l'atmosphère Tₜ pour la valeur de U_Lt trouvée à la question précédente.
- température de sommet d'atmosphère
ENS Physique C PC 2021, Q49
Nous considérons que l'atmosphère est saturée en eau. Est-ce que le profil de la question Q47 est stable ?
- équilibre radiatif
- instabilité convective
ENS Physique C PC 2021, Q53
Montrer que l'équation (23) est cohérente avec la valeur de B/U_L en z = 0 et en z = Hₜ.
- condition aux limites
ENS Physique C PC 2021, Q54
Calculer en fonction de z et de Hₜ l'expression suivante : (dln U_L)/dτ.
ENS Physique C PC 2021, Q55
En déduire une expression de : (dln U_L)/dz.
- dérivée de chaîne
- profil de flux
ENS Physique C PC 2021, Q57
D'autre part, exprimer U_L(Hₜ) en fonction notamment de Tₜ.
- flux en sommet de troposphère
ENS Physique C PC 2021, Q69
L'émissivité pour l'eau est donnée en figure 12. Commenter brièvement cette courbe.
- saturation d'absorption
- émissivité
X-ENS Physique MP 2021, Q1
Dans un premier modèle, on considère que la surface terrestre absorbe un flux solaire incident I = 220 W⁻², considéré uniforme et indépendant du temps. À l'équilibre, la Terre ré-émet l'intégralité…
X-ENS Physique MP 2021, Q2
Un raffinement du modèle consiste à inclure une atmosphère infiniment fine située à une hauteur h au-dessus de la surface de la Terre. Cette atmosphère est transparente au rayonnement solaire…
Mines-Ponts Physique 2 MP 2021, Q8
Montrer, moyennant une approximation raisonnable, que u est maximale pour une valeur entière de x. En déduire, dans cette approximation, une expression du produit λₘₐₓ T de la longueur d'onde λₘₐₓ…
CentraleSupélec Physique-Chimie 1 PSI 2021, Q4
La durée réelle devrait-elle être plus importante ou plus faible ? Le choix du papier noir est-il judicieux ?
CCINP Physique PC 2021, Q19
Comment sont associées les résistances thermiques correspondant aux transferts conducto-convectifs et radiatifs ? Justifier. Donner l'expression de la résistance thermique R_th,2 équivalente à cette…
- association de résistances thermiques
- résistance thermique en parallèle
Mines-Ponts Physique 2 PC 2017, Q4
Calculer la valeur du rapport du flux radiatif d'une tache solaire sur celui d'une zone normale. Commenter ce résultat.
CentraleSupélec Physique 1 PC 2026, Q20
Établir une condition sur le rayon de la goutte pour que le flux thermique diffusif φ_th,d, calculé à la question Q12, soit prédominant par rapport au flux thermique radiatif φ_th,rad.
- comparaison de flux
- résistance thermique
CentraleSupélec Physique 2 PC 2026, Q26
Estimer la puissance thermique P_sol en provenance du soleil reçue par le JWST.
CentraleSupélec Physique 2 PC 2026, Q28
Donner l'expression de T_∞, la température en régime permanent en fonction de a et b. En déduire par un raisonnement dimensionnel l'expression d'un temps caractéristique τ en fonction de T_∞, a et…
CentraleSupélec Physique-Chimie 1 MPI 2026, Q30
En exploitant le résultat de la question Q8, donner l'ordre de grandeur de la pression de radiation sur la face externe des plans reflecteurs et liée aux photons thermiques à température ambiante…
CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MPI 2026, Q34
Montrer que si l'écart Δ T = T_paroi - T₀ est faible devant T_paroi et T₀, le flux thermique radiatif Φ_rad est approximativement proportionnel à Δ T. En déduire que les phénomènes radiatifs sont…
CCINP Physique-Chimie MPI 2026, Q28
En exploitant certaines données de la figure 7, estimer la puissance P_S. Utiliser un bilan énergétique pour estimer la puissance surfacique nette algébrique φₜₒₜ reçue par la Terre seule. Commenter.
- bilan radiatif
- puissance surfacique
CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MPI 2025, Q29
Calculer l'intensité électrique I_th-F émise par la cathode côté filament et l'intensité électrique I_th-A émise par la cathode côté anode. Comparer I_th-A à l'intensité optimale de fonctionnement…
- émission thermoïonique
- courant de saturation
X-ENS Physique MP 2024, Q14
En utilisant le théorème d'équipartition de l'énergie appliqué au champ électromagnétique contenu dans la cavité en contact avec un thermostat de température fixée T, déterminer l'expression de la…
- théorème d'équipartition
- loi de rayleigh-jeans
X-ENS Physique MP 2024, Q21
En comparant deux énergies caractéristiques, déterminer les expressions asymptotiques de la densité spectrale d'énergie électromagnétique moyenne d'un mode dans la cavité dans les régimes basse et…
CentraleSupélec Physique-Chimie 1 MPI 2024, Q24
Au regard des résultats établis aux questions 21 à 23, justifier qualitativement que la puissance émise par chacun des éléments du télescope, dans l'intervalle de fréquences considéré, est…
CentraleSupélec Physique-Chimie 1 MPI 2024, Q26
Le refroidissement a pour effet de réduire à la fois le nombre de photons émis et leur énergie moyenne. Identifier, parmi ces deux effets, celui qui a l'influence la plus importante sur la réduction…
Polytechnique Physique A PC 2023, Q3
D'après la loi de Planck, quelle est la longueur d'onde maximale d'émission pour une température de chauffe de 1000 K ? Quelle puissance surfacique de ce spectre est située dans le domaine visible ?…
- loi de wien
- spectre du corps noir
Polytechnique Physique A PC 2023, Q6
Dans le cas du deuxième modèle, on suppose que l'émissivité dépend de la température. Cette variation est caractérisée par la loi empirique suivante : hc/(λ'ₘₐₓ k_B T) = a - bT avec a = 5 et b = 6·…
Polytechnique Physique A PC 2023, Q7
Représenter l'allure du spectre d'un corps noir chauffé à 1000 K. Superposer sur le même graphique l'allure des fonctions colorimétriques de l'œil. Interpréter la couleur rouge-orangée observée de…
- température de couleur
- réponse spectrale de l'œil
Polytechnique Physique A PC 2023, Q30
Finalement il faut ajouter les pertes par rayonnements étudiées dans la partie 1, qui sont données par la loi de Stefan-Boltzmann corrigée : P_ray = ε σ₀ T⁴, où l'on a introduit les grandeurs…
Polytechnique Physique A PC 2023, Q31
Le forgeron observe la couleur de son métal avant que celui-ci ne fonde vers 1500 ^. Est-ce cohérent avec les comportements trouvés ? Quel rôle joue le rayonnement vis-à-vis de la puissance à…
X-ENS Physique MPI 2023, Q28
On admet que le raisonnement ci-dessus, fait pour une particule chargée ponctuelle, s'applique aussi à la molécule entière, où ω₀ est la pulsation d'un de ses modes de vibration. Expliquer…
- élargissement par pression
- raie d'absorption
X-ENS Physique MPI 2023, Q32
Exprimer µ(z) en fonction de P(z), x, M et g. En déduire la pression P(h) à l'altitude h.
- épaisseur optique
- pression atmosphérique
X-ENS Physique MPI 2023, Q33
Déterminer comment varie la température au sol en fonction de la fraction x de CO₂ dans l'atmosphère.
X-ENS Physique MPI 2023, Q36
À partir de la figure 1, estimer numériquement la puissance que la Terre rayonne vers l'espace par unité de surface.
- émittance
- lecture graphique
Mines-Ponts Physique 2 MPI 2023, Q20
En utilisant la loi de Stefan-Boltzmann, fournie en fin de sujet, déterminer l'expression de la puissance solaire absorbée par la Lune. En l'assimilant à un corps noir, déterminer ensuite…
CCINP Physique-Chimie PSI 2022, Q22
Évaluer le nombre de foyers que peut satisfaire cette ferme solaire sans aucun autre apport.
ENS Physique BCPST 2021, Q1
Montrer que le rapport η entre la puissance reçue par un objet et la puissance émise par un corps noir sphérique situé à une distance d de l'objet (d est supposée très grande devant la taille…
ENS Physique BCPST 2021, Q4
Préciser dans quelle mesure considérer que la température de la Terre reste uniforme, dans le cadre précédent, est recevable.
- temps de diffusion
- régime uniforme
ENS Physique BCPST 2021, Q10
On admet que la fraction ξ du flux traversant le système optique et rejoignant le Soleil ne dépend pas de la température. En considérant que le Soleil et l'objet sont à la même température et que le…
- principe zéro
- équilibre thermique
ENS Physique BCPST 2021, Q11
Préciser l'inégalité que doit vérifier ξ. En utilisant la question précédente, en déduire une inégalité sur la taille r de l'objet. On note que la fonction f(α)=(sin ²(α))/(2(1-cos (α))) est une…
- second principe de la thermodynamique
- concentration maximale
ENS Physique BCPST 2021, Q12
Montrer qu'avec le modèle qui a été développé, à l'aide de Q11, on obtient : C ≤ 2sin ²(α)/β².
- facteur de concentration
- limite thermodynamique
ENS Physique BCPST 2021, Q23
Montrer que la concentration obtenue n'est pas compatible avec la limite thermodynamique C ≤ (sin ²(α))/β². Préciser dans quelles conditions on se rapproche toutefois de cette limite.
- stigmatisme
- limite de concentration
ENS Physique C PC 2021, Q38
Nous considérons le rayonnement infrarouge et nous supposons pour simplifier que τ_λ est indépendant de λ (la dépendance en longueur d'onde sera discutée en partie 5.4). Nous notons alors τ_λ = τ…
- approximation à deux flux
- transfert radiatif
ENS Physique C PC 2021, Q41
Montrer l'égalité suivante, toujours dans l'hypothèse de l'équilibre radiatif local : (d²(U_L + D_L))/dτ² = 0. En déduire une expression de D_L, U_L et B en fonction de τ et U_Lt.
ENS Physique C PC 2021, Q42
Nous prenons comme forme pour τ : τ(z) = τ₀ exp (-z/Hₐ), avec Hₐ = 2 km, τ₀ = 5. Il s'agit de paramètres effectifs, une «moyenne» sur les spectres et les espèces chimiques. Justifier qualitativement…
- épaisseur optique
- échelle de hauteur
ENS Physique C PC 2021, Q46
Calculer numériquement la température à la surface (remarque : il est normal de trouver une température de surface différente de T₀ = 288 K dans cette question). Calculer numériquement le gradient…
- température de surface
- gradient thermique radiatif
ENS Physique C PC 2021, Q47
Tracer le profil de température en vous servant des questions précédentes.
- profil de température
ENS Physique C PC 2021, Q51
Quel est d'après vous l'ordre de grandeur de la baisse typique de la température pendant une nuit claire ? En comparant cette valeur à la température T₀, déduire un temps de relaxation typique lié…
- temps de relaxation radiatif
ENS Physique C PC 2021, Q52
Justifier que nous prenons comme gradient thermique le gradient correspondant à la convection (humide) plutôt que le profil radiatif.
- hiérarchie des temps
- équilibre radiatif-convectif
ENS Physique C PC 2021, Q56
Montrer l'égalité approchée suivante, en supposant Hₐ ≪ Hₜ : ln ((U_L(Hₜ))/(U_L(0))) ≈ -(τ₀ Hₐ)/(2 Hₜ).
- approximation de couche mince
- intégration
ENS Physique C PC 2021, Q59
Déduire des questions précédentes : Hₜ = 1/16Γ(C Tₜ + √(C² Tₜ² + 32Γ τ₀ Hₐ Tₜ)), avec C = 2ln (2) = 1,39.
- hauteur de tropopause
- équation du second degré
ENS Physique C PC 2021, Q60
En déduire la valeur numérique de la hauteur de la tropopause Hₜ dans ce modèle. Indications : 16 × 6,5 = 104 et (2ln (2))² = 1,9. La valeur trouvée est-elle en accord avec les observations dans…
- hauteur de tropopause
- ordre de grandeur
ENS Physique C PC 2021, Q63
À partir notamment de la figure 11, déterminer (approximativement) les valeurs de τ_λ sur toute la hauteur de l'atmosphère, pour λ₁ = 15 (soit environ 650 cm⁻¹) et pour λ₂ = 11 (soit environ 900…
- opacité spectrale
- bande d'absorption
ENS Physique C PC 2021, Q64
Estimer l'altitude où est émise le rayonnement pour ces deux longueurs d'onde, à partir notamment de la figure 10. Faire le lien avec la question précédente.
- niveau d'émission effectif
ENS Physique C PC 2021, Q65
Nous étudions qualitativement l'effet d'un doublement de la concentration en CO₂ dans l'atmosphère, c'est-à-dire le passage de 300 ppm à 600 ppm. Nous considérons dans cette question que la…
- saturation spectrale
- fenêtre atmosphérique
ENS Physique C PC 2021, Q71
Que vaut ∂ T/∂ t dans les zones où il n'y a pas de convection ? Dans les zones où se produit de la convection, la méthode consiste à imposer Γ = Γ_s, tout en conservant globalement l'énergie. La…
- équilibre convectif
- conservation de l'énergie
ENS Physique C PC 2021, Q73
En fait, les simulations numériques 3D montrent qu'il est plus réaliste de considérer que c'est l'humidité relative qui est constante, plutôt que la concentration en vapeur d'eau. Justifier…
- humidité relative
- rétroaction vapeur d'eau
ENS Physique C PC 2021, Q74
S. Manabe et R. Wetherald [4] trouvent une augmentation de la température de surface de 1,33 K pour une doublement de la concentration en CO₂ en considérant que la concentration massique en vapeur…
- rétroaction positive de la vapeur d'eau
X-ENS Physique MP 2021, Q16
On représente sur la figure 3 la circulation de Hadley, qui est le principal courant méridional de l'atmosphère au voisinage de l'équateur. Pourquoi la température de surface est-elle supérieure au…
- circulation de hadley
- flux solaire
Mines-Ponts Physique 2 MP 2021, Q7
On s'intéresse au maximum de la densité spectrale de rayonnement pour une température T fixée. En posant x = hc/(λ k_B T), déterminer l'équation vérifiée par x qui assure un extremum à la fonction…
ENS Physique C PC 2020, Q27
En supposant qu'on peut considérer seulement l'émission thermique des étoiles, donner un ordre de grandeur de la puissance totale émise sous forme de rayonnement électromagnétique par la Galaxie.
CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MP 2025, Q40
Proposer une estimation du temps minimal envisageable pour qu'une sonde atteigne une distance de 500 unités astronomiques du Soleil, compte tenu des contraintes thermiques et dans les conditions des…
- transfert radiatif
- résolution de problème
CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MPI 2025, Q24
Évaluer l'ordre de grandeur du temps nécessaire pour que le filament atteigne la température T_éq qui permet une émission thermoïonique stabilisée (les grandeurs µ_W, γ, λ et c pourront être…
CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MPI 2025, Q28
En supposant que la cathode reçoit la totalité de la puissance émise par le filament, et en négligeant toute autre forme de transfert thermique reçu, déterminer la température T_c de la cathode.
X-ENS Physique MPI 2023, Q37
En préservant l'équilibre avec le flux reçu du Soleil, comment est modifié le spectre émis par la Terre si on augmente la teneur de l'atmosphère en CO₂ ?
- effet de serre
- spectre de transmission atmosphérique
ENS Physique C PC 2021, Q58
En utilisant une condition d'équilibre thermique à la surface, montrer l'égalité suivante : ln ((U_L(Hₜ))/(U_L(0))) ≈ ln (2) - (4Γ Hₜ)/Tₜ, où Γ est le gradient thermique, supposé constant (Γ = 6,5…
- profil convectif linéaire
- équilibre de surface
ENS Physique C PC 2021, Q66
En utilisant notamment le résultat de la question Q37, et en multipliant par exp (τ), montrer que : D_λ = ∫₀τ B_λ(τ') d/(dτ') T_λ(τ - τ') dτ', où pour simplifier nous notons τ la variable notée τ_λ…
- équation de transfert radiatif
- facteur intégrant
ENS Physique C PC 2021, Q67
Nous introduisons la coordonnée u_v (pour l'eau) définie par : u_v = ∫₀z ρ_v(z') dz', où ρ_v est la masse volumique de vapeur d'eau. Nous notons uₜ la valeur en haut de l'atmosphère. Comme à la…
- intégration spectrale
- masse optique
ENS Physique C PC 2021, Q68
Nous introduisons l'émissivité globale isotherme ε(u, T) par : ε(u, T) = ∫_λ*⁺∞ B_λ(T)[1 - T_λ(u)] dλ/(σ T⁴). Exprimer U_L et D_L en fonction de ε(u, T). Les expressions obtenues ne devront pas…
- émissivité globale
ENS Physique C PC 2021, Q72
La dimension d'espace (selon z) est discrétisée en 18 niveaux notés par un exposant n (n [1, 18]). Le temps discrétisé est noté par un indice i. La condition initiale est une température constante…
- schéma numérique
- ajustement radiatif-convectif
Pièges classiques
- Ne pas confondre la surface d'interception du rayonnement solaire (le disque projeté \pi R^2) avec la surface totale de réémission thermique de la planète (la sphère entière 4\pi R^2).
Questions sources :CCINP Physique-Chimie MPI 2026, Q26CCINP Physique-Chimie TSI 2026, Q16CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q26Mines-Ponts Physique 2 MPI 2023, Q20ENS Physique BCPST 2021, Q2
- Prendre garde au facteur géométrique 1/4 : le flux solaire incident moyenné sur l'ensemble du globe vaut F_0 / 4, où F_0 est la constante solaire mesurée au point subsolaire perpendiculairement aux rayons.
Questions sources :CCINP Physique-Chimie MPI 2026, Q28CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q29
- Pour une feuille mince ou une voile spatiale, le rayonnement solaire n'est reçu que par une seule face (surface S), tandis que les pertes radiatives et convectives s'effectuent par les deux faces (surface totale 2S).
Question source :CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MP 2025, Q40
- Dans la loi de Stefan-Boltzmann comme dans le coefficient linéarisé h_{\text{rad}} = 4\varepsilon\sigma T^3, la température doit impérativement être exprimée en kelvins et non en degrés Celsius.
Questions sources :CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MPI 2026, Q34CentraleSupélec Physique-Chimie 2 TSI 2024, Q31
- Une couche atmosphérique modélisée comme un plan mince rayonne simultanément vers le haut (vers l'espace) et vers le bas (vers la surface terrestre), soit un flux émis \varepsilon \sigma T^4 sur chaque face.
Question source :CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q29
- Un pic d'émission \lambda_{\max} situé dans l'infrarouge ne signifie pas que le corps n'émet pas dans le visible : la queue de distribution de Planck déborde dans le domaine visible dès quelques centaines de kelvins, ce qui détermine la couleur observée.
Questions sources :CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MPI 2025, Q25Polytechnique Physique A PC 2023, Q4Polytechnique Physique A PC 2023, Q6
- La longueur d'onde du maximum d'émission spectrale ne correspond pas à l'inverse du maximum en fréquence (\lambda_{\max} \neq c / \nu_{\max}) en raison du jacobien |\mathrm{d}\nu / \mathrm{d}\lambda| = c / \lambda^2 lors du changement de variable.
Questions sources :X-ENS Physique MPI 2023, Q35Mines-Ponts Physique 2 MP 2021, Q7
- Attention à l'orientation de la profondeur optique \tau_\lambda : définie souvent nulle au sommet de l'atmosphère et croissante vers le sol (\mathrm{d}\tau_\lambda = -k_\lambda \rho\,\mathrm{d}z), elle varie en sens inverse de l'altitude z.
Questions sources :ENS Physique C PC 2021, Q35ENS Physique C PC 2021, Q37ENS Physique C PC 2021, Q67
- Dans un bilan radiatif de surface, l'albédo \mathcal{A} représente la part réfléchie ; la puissance solaire effectivement absorbée est pondérée par le facteur complémentaire 1 - \mathcal{A}.
Questions sources :CCINP Physique-Chimie MPI 2026, Q28Mines-Ponts Physique 2 MPI 2023, Q20
- Lorsque convection et rayonnement agissent simultanément à la même paroi sous le même écart de température, les flux s'additionnent : il faut sommer les coefficients d'échange (ou les admittances thermiques) et non les résistances thermiques.
Question source :CCINP Physique PC 2021, Q19
- Ne pas confondre la densité volumique d'énergie spectrale par unité de fréquence u_\nu(\nu) (en \mathrm{J}\cdot\mathrm{m}^{-3}\cdot\mathrm{s}), celle par unité de longueur d'onde u_\lambda(\lambda) (en \mathrm{J}\cdot\mathrm{m}^{-4}) et la densité volumique totale intégrée u (en \mathrm{J}\cdot\mathrm{m}^{-3}).
Question source :CentraleSupélec Physique-Chimie 1 MPI 2024, Q18
- Une émissivité thermique \varepsilon > 1 est physiquement impossible : elle violerait la limite supérieure du corps noir et la conservation de l'énergie pour un milieu passif.
Question source :CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q31
- Pour un filament ou un tube cylindrique mince, l'émission thermique s'effectue par sa surface latérale 2\pi r L et non par sa section droite conductrice \pi r^2.
Question source :CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MPI 2025, Q22
- Lorsque le rayonnement d'un filament est confiné à l'intérieur d'une cavité fermée (comme une cathode entourant un filament), il y reste piégé : seule la surface extérieure du composant évacue la puissance radiative vers l'extérieur.
Question source :CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MPI 2025, Q28
À retenir
- Sans effet de serre, la température d'équilibre radiatif de la Terre serait d'environ -18^\circ\text{C} (255\text{ K}) ; l'effet de serre naturel apporte un réchauffement d'environ +33^\circ\text{C}, conduisant à une température moyenne de surface de +15^\circ\text{C} (288\text{ K}).
Questions sources :CCINP Physique-Chimie TSI 2026, Q17CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q30
- Pour de faibles écarts de température autour d'une valeur moyenne T_0, la loi de Stefan se linéarise sous la forme j_{\text{rad}} = h_{\text{rad}}\Delta T avec un coefficient radiatif h_{\text{rad}} = 4\varepsilon\sigma T_0^3, associé à une résistance radiative R_{\text{rad}} = 1/(h_{\text{rad}} S).
Questions sources :CentraleSupélec Physique 1 PC 2026, Q19Polytechnique Physique A PC 2023, Q30
- Une couche atmosphérique plane d'émissivité \varepsilon rayonne par ses deux faces, vers l'espace et vers le sol, évacuant ainsi une puissance surfacique totale égale à 2\varepsilon\sigma T_a^4.
Question source :CentraleSupélec Physique 2 PC 2024, Q30
- L'introduction de la variable adimensionnée x = \frac{hc}{\lambda k_{\mathrm{B}} T} est la méthode systématique pour étudier la loi de Planck : elle mène à la loi de Wien \lambda_{\max} T = \text{cte} par dérivation et à la loi de Stefan-Boltzmann en T^4 par intégration.
Questions sources :CentraleSupélec Physique-Chimie 1 MPI 2024, Q21X-ENS Physique MPI 2023, Q34Polytechnique Physique A PC 2023, Q1Polytechnique Physique A PC 2023, Q2
- La loi de Planck redonne la formule classique de Rayleigh-Jeans (\propto \nu^2 k_{\mathrm{B}}T) à basse fréquence (h\nu \ll k_{\mathrm{B}}T) et la loi de Wien à haute fréquence ; la quantification des échanges d'énergie supprime la divergence ultraviolette.
Question source :X-ENS Physique MP 2024, Q21
- Le rayonnement est le seul mode de transfert thermique capable de se propager dans le vide absolu ; suivant une loi en T^4, il devient prépondérant à haute température et négligeable aux températures cryogéniques.
Questions sources :CCINP Physique-Chimie TSI 2026, Q8CentraleSupélec Physique-Chimie 2 MPI 2025, Q20X-ENS Physique MPI 2024, Q14
- L'hypothèse du corps gris à émissivité spectrale constante (\varepsilon(\lambda) = \varepsilon < 1) réduit la puissance totale rayonnée d'un facteur \varepsilon sans modifier la longueur d'onde du maximum d'émission \lambda_{\max}.
Question source :Polytechnique Physique A PC 2023, Q5
- Le rayonnement infrarouge émis vers l'espace provient principalement d'une altitude effective H_e où l'épaisseur optique vaut \tau(H_e) \sim 1 ; une atmosphère plus opaque dans l'infrarouge élève H_e et réchauffe le sol selon T_{\text{sol}} = T_e + \Gamma H_e.
Questions sources :ENS Physique C PC 2021, Q48ENS Physique C PC 2021, Q62
- Un profil d'équilibre radiatif pur produit un gradient suradiabatique dynamiquement instable au sol : la convection, opérant sur une échelle de temps bien plus courte que le rayonnement (\tau_{\text{conv}} \ll \tau_{\text{rad}}), impose un équilibre radiatif-convectif.
Questions sources :ENS Physique C PC 2021, Q47ENS Physique C PC 2021, Q52ENS Physique C PC 2021, Q71ENS Physique C PC 2021, Q72
- Dans un modèle gris plan-stratifié à l'équilibre radiatif, le flux sortant impose que la température au sommet de l'atmosphère soit liée à la température effective d'émission par la relation de skin temperature : T_{\text{sommet}} = T_e / 2^{1/4}.
Questions sources :ENS Physique C PC 2021, Q48X-ENS Physique MP 2021, Q2
- L'approximation du découplage à deux bandes (ondes courtes solaires et ondes longues infrarouges terrestres) simplifie les équations de bilan en annulant les termes croisés d'absorption et d'émission.
Question source :ENS Physique C PC 2021, Q33
- La masse surfacique d'une colonne atmosphérique s'écrit \Sigma = P_0 / g, ce qui permet d'estimer l'épaisseur optique totale d'un gaz de fraction massique w par \tau_\lambda \approx k_\lambda w \frac{P_0}{g}.
Question source :ENS Physique C PC 2021, Q63
- La relation de Clausius-Clapeyron imposant une croissance quasi exponentielle de la pression de vapeur saturante avec la température, l'augmentation de la vapeur d'eau atmosphérique induit une puissante rétroaction positive dans le réchauffement radiatif.
Question source :ENS Physique C PC 2021, Q74
- Le deuxième principe de la thermodynamique et la conservation de l'étendue optique bornent le facteur de concentration théorique maximal d'un système optique passif dans l'air à C_{\max} = \sin^2\alpha / \beta^2, interdisant à la cible de devenir plus chaude que la source.
Question source :ENS Physique BCPST 2021, Q23
- Pour une onde électromagnétique plane progressive harmonique dans le vide, l'éclairement moyen (flux surfacique moyen de Poynting) s'exprime par \langle \Pi \rangle = \frac{1}{2}\varepsilon_0 c E_0^2 = \frac{E_0^2}{2\mu_0 c}.
Question source :CCINP Physique-Chimie PSI 2022, Q22
Les questions sont classées par chapitre à partir des corrigés détaillés de WikiPrépa ; une question peut relever de deux chapitres. La difficulté, de 1 (application directe) à 4 (difficile), est une estimation. Comment les corrigés sont rédigés et relus