Questions to the experts

Le feu, c'est beaucoup de phénomènes très différents.

C'est la flamme d'un bec de gaz dans laquelle une réaction chimique très exothermique (= qui libère de la chaleur) excite les électrons dans les molécules formées, lesquelles électrons reviennent au repos en émettant de la lumière. Les couleurs peuvent être spectaculaires si l'on introduit dans la flamme certains éléments tels que les métaux alcalins (sodium jaune, calcium rouge), les métaux alcalino-terreux (baryum vert)... Ces propriétés sont spectaculairement exploitées dans les feux d'artifice, mais on peut aussi faire de belles expériences avec un bec Bunsen et un pulvérisateur de solutions salines.

Le feu dont il est plus facile de parler est le feu de bois, dont les couleurs vont du rouge sombre à ce que l'on pourrait qualifier de blanc, mais il existe une infinité de "blancs".

En effet c'est un des paradoxes de la physique que la définition du blanc en matière de spectre lumineux repose sur le rayonnement dit du "corps noir". Le corps noir est un corps qui absorbe toute la lumière incidente. Pour maintenir son équilibre thermodynamique, un tel corps réémet un rayonnement au spectre bien défini, qui est le même pour tous les corps, ne dépend que de la température de l'émetteur et s'appelle le rayonnement du corps noir. C'est une des plus belles révolutions scientifiques que l'établissement par Planck à la fin du XIXe siècle et au début du XXe des formules mathématiques décrivant le rayonnement du corps noir grâce aux quanta, formules qui devaient aboutir aux développements de la théorie quantique.

Pour résumer, un corps noir rayonne dans toutes les fréquences, mais la puissance émise et la fréquence du maximum d'émission sont d'autant plus grandes que le corps est chaud. Aucun corps ne saurait, par simple incandescence, rayonner plus que le corps noir. A la température ordinaire, le corps noir n'émet que dans l'infrarouge lointain. Il est invisible pour notre oeil dans la plus parfaite obscurité. Le rouge sombre apparaît dans l'obscurité dès -30 °C. C'est la température d'une cigarette sur laquelle on ne tire pas. Quand on tire sur la cigarette, la température augmente jusque vers 300 °C, l'intensité de l'émission augmente et la couleur passe du rouge au jaune, certains diront au blanc (fumer est très dangereux pour la santé).

Le rayonnement solaire est celui d'un corps incandescent à la température de 6 000 °C environ. Il est très intense, mais surtout très décalé vers les courtes longueurs d'onde, avec un maximum d'émission dans le jaune (ce n'est pas un hasard si c'est la couleur pour laquelle l'oeil à son maximum de sensibilité et sa meilleure sensibilité chromatique), mais d'autres étoiles sont beaucoup plus chaudes et nous apparaissent bleues, surtout lorsqu'elles sont proches d'une étoile plus froide.

C'est encore un paradoxe de la physique que les étoiles "froides" soient rouges, et les chaudes soient "bleues". Pour notre il, les couleurs chaudes sont le rouge et l'orange parce que ce sont les couleurs habituelles de nos sources thermiques. Le bleu et l'ultraviolet sont qualifiés parfois de "lumières froides", parce qu'elles sont obtenues à partir de procédés non thermiques.
Mais les étoiles chaudes sont des émetteurs extrêmement puissants dans le bleu et l'ultraviolet. Déjà notre soleil nous envoie beaucoup de rayonnement ultraviolet, heureusement absorbé par l'atmosphère.

Lorsque vous voyez dans un vaste paysage le reflet du Soleil dans une vitre, vous ne recevez que 8% du rayonnement incident. Essayez d'imaginer qu'il s'agit d'un four recelant un corps en fusion et vous sentirez alors à quel point le Soleil est chaud !

Dans un feu de bois, les températures sont très variables : l'émission va du rouge au jaune clair, avec des intensités liées à la couleur. Dans la flamme, ce sont de très petites particules de poussière qui, portées à haute température, rayonnent par incandescence. Vous retrouverez à peu près les mêmes couleurs dans l'éruption d'un volcan de type hawaïen, c'est-à-dire aux laves relativement fluides, et qui offrent toute une gamme de températures du même ordre que celles d'un feu de bois.

La flamme de bougie est organisée pour émettre un maximum de poussières de carbone qui, chauffées, rayonnent par incandescence. Mais attention : la flamme de bougie pas plus que le feu de bois ne sont des corps noirs parfaits, et l'application des lois de Planck à leur rayonnement n'est qu'une première approximation.

Merci d'avoir posé la question !

La flamme est un phénomène complexe. Il s'agit d'une réaction chimique non homogène entre les réactifs (combustible et comburant) où la température et les espèces chimiques impliquées varient d'un endroit à l'autre et, dans une flamme instable, d'un moment à l'autre. A un endroit donné, la réaction chimique qui a lieu crée des espèces (molécules ou radicaux instables) qui émettent de la lumière. La longueur d'onde de la lumière émise dépend de la température.