II. Transfert et flux thermiques

I. Transfert thermique

 

Le transfert thermique (communément appelé chaleur) est une notion fondamentale de la thermodynamique.

Lorsqu’un corps chaud à la température (téta 1) est mis en contact avec un corps froid à la température (téta 2) il va y a avoir un échange d’énergie sous forme de transfert thermique. Ce transfert thermique peut provoquer une variation de température du corps et/ou un changement d’état. Nous allons nous concentrer uniquement sur le cas d’une variation de température.

Ce transfert d’énergie provoque une agitation thermique entre les particules.
A l’échelle microscopique, on remarque des chocs aléatoires visibles entre particules.

Le transfert thermique peut s’opérer selon trois modes : conduction, convection et rayonnement.
Il est irréversible, spontané et dans un seul sens (Le corps le plus chaud cède de l’énergie sous forme de chaleur au corps le plus froid).

I.a La conduction

C’est un mode de propagation de la chaleur sans déplacement de la matière qui nécessite un milieu matériel, généralement solide. L’agitation des atomes va être diffusée, de proche en proche, à partir de la partie chauffée du matériau.

\Qˆ. = -K {nx}rac{dT}{dx}

    • Q : flux de chaleur (se lit «Q point»)
    • K : conductibilité thermique du matériau (en W. m− 1. K− 1)
    • Anx = Surface perpendiculaire au flux de chaleur (normal à l’axe x reconnu)
    • T : température (en Kelvin)
    • x : axe reconnu
  •  

I.b La convection

C’est un transfert par mise en mouvement de la matière qui nécessite un milieu matériel, essentiellement les fluides tel que les liquides, les gaz ou les plasmas. Elle consiste à chauffer les molécules d’air aux alentours et à les dilater de sorte à ce que l’air devienne moins dense et puisse se déplacer en s’élevant créant ainsi un courant vertical ascendant. C’est ce que l’on peut par exemple remarquer lorsque l’on fait bouillir de l’eau dans une casserole.

La quantité de chaleur est représentée par Q qui s’exprime en joule (J).
Par convention, Q > 0 si le système reçoit de l’énergie

Convection naturelle (ou libre) : l’échange de chaleur est responsable du mouvement. Le transfert thermique provoque le mouvement. (mouvement air chaud et air froid dans le ciel, l’air chaud monte)

 Convection forcée : un système mécanique entraine les molécules vers le système chauffant. Le mouvement facilite le transfert thermique (ex. ventilateur).

Convection naturelle Convection forcée

Représentation schématique de la convection naturelle.

Représentation schématique de la convection forcée.

Exemples de transfert par convection :

  • Échange de chaleur dans des radiateurs à circulation d’eau ou d’air (convection forcée)
  • Refroidissement d’une tasse de liquide chaud en soufflant dessus (convection forcée)
  • Diffusion de l’air chaud au-dessus d’un radiateur électrique (convection naturelle s’il n’y a pas de soufflerie dans le radiateur).

I.c Le rayonnement

C’est un transfert thermique émis par un corps noir, dans notre cas le Soleil vers la Terre. Elle ne nécessite aucun milieu matériel puisqu’elle est transportée dans le vide de l’espace par des ondes électromagnétiques.
L’énergie nous parvient donc sous la forme d’un rayonnement qui va chauffer l’atmosphère et par convection naturelle, le sol de la Terre.
Le transfert se fait par rayonnement électromagnétique (infrarouge).

Exemples : dispositif de chauffage dit radiant, le soleil etc…

Schéma du transfert thermique par radiation

I.d Comparaison des modes de transfert

Mode de transfert Matière de transfert Milieu de transfert
Conduction Solides et fluides Au sein d’un seul corps ou par contact entre deux corps
Convection Fluides Au sein d’un seul fluide ou au contact entre un solide et un fluide
Rayonnement Solides, fluides et vide A partir d’un corps rayonnant vers un autre

I.e Résumé des modes de transfert

Mode de transfert Échelle Éléments nécessaires
Conduction Microscopique Contact entre deux matières, gradient de température
Convection Macroscopique Matière libre (possibilité de mouvement, fréquemment un fluide), gradient de température
Rayonnement (radiation) Microscopique Aucun : peut se faire dans le vide ou la matière, quelle que soit la température (à partir de 0 K).

II. Flux thermique

I. Les bases

flux thermique = flux de chaleur

Son unité est Φ (phi) et s’exprime en joule par seconde (J/s) .

Le flux thermique est la différence entre deux milieux de températures qui sont de températures différentes.
Cela correspond au transfert thermique qui s’écoule par unité de temps entre les deux milieux.
Le flux thermique s’obtient par le rapport :

Où t est en seconde donc Δt = tsup – tinf

Ce transfert de chaleur est réalisé du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, si ce phénomène n’est pas stoppé cela reviendra à obtenir une température égale entre les deux corps en question.
L’évolution du transfert thermique donc de l’évolution de la chaleur transmise est encadrée par les principes de la thermodynamique et d’équation de la chaleur. Si ce flux thermique traverse une surface , on obtient une densité de flux de chaleur notée φ telle que :

λ*(S/e)ΔT

Phi : capitale Φ, minuscule φ ou ϕ; en grec φι, est la 21e lettre de l'alphabet grec.

Cette densité de flux de chaleur est exprimée en watt par mètre carré (W/m2). Tous les corps (solide, liquide ou gazeux) qui sont en contact subissent ce phénomène d’échange de chaleur.

L’utilisation de matériaux isolants (mais également de matériaux conducteurs) permet d’intervenir sur l’intensité du flux transmis, de le contrôler et de le réguler.
Le transfert thermique peut être effectué par conduction thermique, rayonnement et convection (voir si dessus).

II. Le flux thermique à travers une surface plane

On cherche à définir le transfert thermique à travers une surface plane homogène et isotrope (ex. un mur), de surface , d’épaisseur et de conductivité thermique λ  constante.
Cette surface sépare deux milieux.
La chaleur présente dans le milieu chaud Tc va être transférée dans milieu froid  Tf.
Cet échange de chaleur se fait par convection.


La surface de la paroi peut être simple et plane ou bien avec des replis ou des ramifications, elle sera, dans ce cas, dite importante.

La matière est forcée de parcourir la surface de la parois, pour que le flux thermique transféré soit maximal.

Le flux thermique agit aussi sur des surfaces cylindrées et à reliefs, cependant dans le cas de nos expériences nous ne traitons que du cas où le flux thermique traverse une surface plane.

III. Schéma du transfert de flux thermique

 

 

e : épaisseur  
Flux thermique :
φ en J/s

S : surface place -> matériaux isolant
Tc cède chaleur à Tf
Milieux de Tc et Tf :

Tf : température froide
Tc : température chaude