Les modes de transfert de chaleur

Introduction

La thermodynamique nous a montré qu’elle est essentiellement basée sur deux principes mesurant la variation d’énergie entre un état initial et un état final. Dans la majorité des cas, cette variation est due à des échanges de travail et thermique (chaleur). Pratiquement, le travail s’applique sur les fonctions d’états qui ont la propriété de ne dépendre que des états initial et final. Ainsi on n’étudie pas la nature et la durée de l’interaction du système avec l’extérieur qui est à l’origine de la variation de l’état du système. Lorsqu’on parle de « transferts thermiques », on cherche à expliquer la façon dont les transferts de chaleur se font ainsi que leur vitesse. Le second principe de la thermodynamique spécifie que le transfert de chaleur se fait du corps chaud vers le corps froid, ou de façon équivalente d’une température élevée vers une température plus basse. Le système ne sera donc pas en équilibre thermique durant le transfert. L’approche qu’on va poursuivre est essentiellement phénoménologique, c’est à dire d’origine expérimentale, et macroscopique. Ainsi on parle de transfert thermique pour décrire un échange de chaleur lié à une différence de température. Plusieurs modes de transfert vont être étudiés mais dans tous les cas on peut définir la puissance transmise entre deux points de température différente > par la loi de Newton.

Conduction

La conduction thermique (ou diffusion thermique) est un mode de transfert thermique provoqué par une différence de température entre deux régions d’un même milieu, ou entre deux milieux en contact, et se réalisant sans déplacement de la matière. Elle peut s’interpréter comme la transmission de proche en proche de l’agitation thermique : un atome (ou une molécule) cède une partie de son énergie cinétique à l’atome voisine.

Résistance thermique

Considérons le problème simple de conduction dans un mur (figure 1.1) de conductivité k constante et d’épaisseur L. A travers le mur, la température varie de (température de la paroi gauche) à (température de la paroi droite)

Convection

L’échange thermique par convection a pour origine le mouvement d’un fluide. En effet hormis le rayonnement à travers les corps transparents, la conduction est le seul mode de transmission de la chaleur à travers le solide. Pour les fluides, c’est différent:
– le transfert thermique s’effectue par conduction lorsqu’il n’y a pas de mélange de matière, ou lorsque l’écoulement est laminaire,
– dans un écoulement turbulent en contact avec une paroi solide, il existe le long de la paroi une mince couche de fluide en écoulement visqueux que l’on considère comme laminaire.
L’épaisseur de ce film laminaire dépend des propriétés physiques du fluide et de la nature de l’écoulement,
– dans une direction perpendiculaire à la paroi (donc à la ligne de courant), on admettra qu’il n’y a aucun mélange de matière et la chaleur ne peut se transmettre que par conduction,
– en dehors de la couche laminaire, la chaleur se transmet par mélange des particules de fluides, provoquant une égalisation rapide de la température.

Transfert par rayonnement

Les corps émettent de l’énergie par leur surface, sous forme d’un rayonnement d’ondes électromagnétiques, et ce d’autant plus que leur température est élevé. Inversement, soumis à un rayonnement, ils en absorbent une partie qui se transforme en chaleur. Le rayonnement est un processus physique de transmission de la chaleur sans support matériel. Ainsi, entre deux corps, l’un chaud, l’autre froid, mis en vis-à-vis (même séparés par du vide), une transmission de chaleur s’effectue par rayonnement du corps chaud vers le corps froid : le corps chaud émet un flux Q1>Q2, le bilan du flux est tel que le corps chaud cède de l’énergie au corps froid. A l’inverse, le bilan du flux peut être retrouve sur le corps froid qui émet moins d’énergie qu’il n’en absorbe.
Les échanges par rayonnement entre deux surfaces quelconques d’un habitat mettent en jeu deux facteurs différents.
– L’angle sous lequel chaque surface est vue par l’autre
– Leurs caractéristiques d’émission et d’absorption

Facteur de forme géométrique

Le facteur de forme géométrique ne dépend que de la géométrie et de la disposition relative des surfaces. n est le nombre de surfaces entourées par la surface i. ces deux relations sont utiles pour la détermination des facteurs de formes de plusieurs surfaces.
Si les surfaces et sont planes, subséquemment elles ne peuvent pas rayonner vers ellesmêmes puisqu’elles ne sont pas convexes.