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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.

questions corrigées
150
questions corrigées
épreuves
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épreuves
concours
7
concours
sessions
2017-2026
sessions

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.

Pièges classiques

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

Voir aussi