TRANSFERT DE CHALEUR: LOIS, FORMES DE TRANSMISSION, EXEMPLES - PHYSIQUE - 2025

Il y a transfert de chaleur lorsque l'énergie passe d'un corps à un autre en raison de la différence de température entre les deux. Le processus de transfert de chaleur s'arrête dès que les températures des corps en contact sont égales ou lorsque le contact entre eux est supprimé.

La quantité d'énergie transférée d'un corps à un autre au cours d'une période donnée est appelée chaleur transférée. Un corps peut donner de la chaleur à un autre, ou il peut l'absorber, mais la chaleur va toujours du corps avec la température la plus élevée au corps avec la température la plus basse.

Figure 1. Dans un feu de joie, il existe trois mécanismes de transfert de chaleur: la conduction, la convection et le rayonnement. Source: Pixabay.

Les unités de chaleur sont les mêmes que celles d'énergie et dans le système international de mesures (SI) c'est le joule (J). Les autres unités de chaleur fréquemment utilisées sont la calorie et le BTU.

Quant aux lois mathématiques qui régissent le transfert de chaleur, elles dépendent du mécanisme impliqué dans l'échange.

Lorsque la chaleur est conduite d'un corps à un autre, la vitesse à laquelle la chaleur est échangée est proportionnelle au différentiel de température. Ceci est connu comme la loi de Fourier de la conductivité thermique, qui conduit à la loi du refroidissement de Newton.

Formes / mécanismes de transmission de la chaleur

Ce sont les moyens par lesquels la chaleur peut être échangée entre deux corps. Trois mécanismes sont reconnus:

-Conduite

-Convection

-Radiation

Dans un pot comme celui montré dans la figure ci-dessus, il y a ces trois mécanismes de transfert de chaleur:

-Le métal dans le pot est chauffé principalement par conduction.

-L'eau et l'air sont chauffés et montent par convection.

-Les personnes proches du pot sont chauffées par le rayonnement émis.

Conduite

La conduction thermique se produit principalement dans les solides et en particulier dans les métaux.

Par exemple, le poêle dans la cuisine transmet la chaleur aux aliments à l'intérieur du pot à travers le mécanisme de conduction à travers le métal du fond et les parois métalliques du récipient. En conduction thermique, il n'y a pas de transport de matière, seulement de l'énergie.

Convection

Le mécanisme de convection est typique des liquides et des gaz. Celles-ci sont presque toujours moins denses à des températures plus élevées, pour cette raison, il y a un transport ascendant de chaleur des parties de fluide plus chaudes vers les régions plus élevées avec des parties de fluide plus froides. Dans le mécanisme de convection, il y a un transport de matière.

Radiation

De son côté, le mécanisme de rayonnement permet un échange thermique entre deux corps même lorsqu'ils ne sont pas en contact. L'exemple immédiat est le Soleil, qui chauffe la Terre à travers l'espace vide qui les sépare.

Tous les corps émettent et absorbent un rayonnement électromagnétique. Si vous avez deux corps à des températures différentes, même dans le vide, après un certain temps, ils atteindront la même température en raison de l'échange de chaleur par rayonnement électromagnétique.

Taux de transfert de chaleur

Dans les systèmes thermodynamiques à l'équilibre, la quantité de chaleur totale échangée avec l'environnement est importante, de sorte que le système passe d'un état d'équilibre à un autre.

En revanche, dans le transfert de chaleur, l'intérêt se porte sur le phénomène transitoire, lorsque les systèmes n'ont pas encore atteint l'équilibre thermique. Il est important de noter que la quantité de chaleur est échangée dans un certain laps de temps, c'est-à-dire qu'il y a une vitesse de transfert de chaleur.

Exemples

- Exemples de conduction thermique

En conductivité thermique, l'énergie thermique est transmise par collisions entre les atomes et les molécules du matériau, qu'il soit solide, liquide ou gazeux.

Les solides sont de meilleurs conducteurs de chaleur que les gaz et les liquides. Dans les métaux, il y a des électrons libres qui peuvent se déplacer à travers le métal.

Comme les électrons libres ont une grande mobilité, ils sont capables de transmettre l'énergie cinétique par collisions plus efficacement, c'est pourquoi les métaux ont une conductivité thermique élevée.

D'un point de vue macroscopique, la conductivité thermique est mesurée comme la quantité de chaleur transférée par unité de temps, ou courant calorique H:

Figure 2. Conduction thermique à travers une barre. Préparé par Fanny Zapata.

Le courant calorique H est proportionnel à la section de la zone A et à la variation de température par unité de distance longitudinale.

Cette équation est appliquée pour calculer le courant calorique H d'un barreau comme celui de la figure 2, qui se situe entre deux réservoirs de températures T ₁ et T ₂ respectivement, où T ₁ > T ₂.

Conductivités thermiques des matériaux

Vous trouverez ci-dessous une liste de la conductivité thermique de certains matériaux en watts par mètre et par kelvin: W / (m. K)

Aluminium -------- 205

Cuivre --------- 385

Argent ---------- 400

Acier ---------– 50

Liège ou fibre de verre - 0,04

Béton ou verre ----- 0,8

Bois ----- 0,05 à 0,015

Air --------– 0,024

- Exemples de chaleur par convection

Dans la convection de chaleur, l'énergie est transférée en raison du mouvement du fluide, qui, à différentes températures, a des densités différentes. Par exemple, lorsque l'eau est bouillie dans une casserole, l'eau près du fond augmente sa température, donc elle se dilate.

Cette expansion fait monter l'eau chaude, tandis que la froide descend pour occuper l'espace laissé par l'eau chaude qui monte. Le résultat est un mouvement de circulation qui se poursuit jusqu'à ce que les températures de tous les niveaux s'égalisent.

La convection est ce qui détermine le mouvement de grandes masses d'air dans l'atmosphère terrestre et détermine également la circulation des courants marins.

- Exemples de chaleur de rayonnement

Dans les mécanismes de transmission de chaleur par conduction et par convection, la présence d'un matériau est nécessaire pour que la chaleur soit transmise. En revanche, dans le mécanisme de rayonnement, la chaleur peut passer d'un corps à un autre par le vide.

C'est le mécanisme par lequel le Soleil, à une température plus élevée que la Terre, transmet l'énergie à notre planète directement à travers le vide de l'espace. Le rayonnement nous parvient par les ondes électromagnétiques.

Tous les matériaux sont capables d'émettre et d'absorber un rayonnement électromagnétique. Le maximum de la fréquence émise ou absorbée dépend de la température du matériau et cette fréquence augmente avec la température.

La longueur d'onde prédominante dans le spectre d'émission ou d'absorption d'un corps noir suit la loi de Wien, qui stipule que la longueur d'onde prédominante est proportionnelle à l'inverse de la température corporelle.

D'autre part, la puissance (en watts) avec laquelle un corps émet ou absorbe de l'énergie thermique par rayonnement électromagnétique est proportionnelle à la quatrième puissance de la température absolue. C'est ce qu'on appelle la loi de Stefan:

P = εAσT ⁴

Dans l'expression ci-dessus, σ est la constante de Stefan et sa valeur est 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴. A est la surface du corps et ε est l'émissivité du matériau, une constante sans dimension dont la valeur est comprise entre 0 et 1, et dépend du matériau.

Exercice résolu

Considérez la barre de la figure 2. Supposons que la barre mesure 5 cm de long, 1 cm de rayon et soit en cuivre.

La barre est placée entre deux murs qui maintiennent sa température constante. Le premier mur a une température T1 = 100 ° C, tandis que l'autre est à T2 = 20 ° C. Déterminer:

a.- La valeur du courant thermique H

b.- La température du barreau de cuivre à 2 cm, à 3 cm et à 4 cm de la paroi de température T1.

Solution pour

La barre de cuivre étant placée entre deux parois dont les parois maintiennent à tout moment la même température, on peut dire qu'elle est en régime permanent. En d'autres termes, le courant thermique H a la même valeur à tout instant.

Pour calculer ce courant, nous appliquons la formule qui relie le courant H à la différence de températures et à la longueur de la barre.

La section transversale est:

A = πR ² = 3,14 * (1 × 10 ^-2 m) ² = 3,14 x 10 ^-4 m ²

La différence de température entre les extrémités de la barre est

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x 10 ^-2 m

H = 385 W / (m K) * 3,14 x 10 ^-4 m ² * (80K / 5 x ^10-2 m) = 193,4 W

Ce courant est le même en tout point de la barre et à tout instant, puisque l'état stationnaire est atteint.

Solution b

Dans cette partie, il nous est demandé de calculer la température Tp en un point P situé à une distance Xp de la paroi T ₁.

L'expression qui donne le courant calorique H au point P est:

A partir de cette expression, Tp peut être calculé par:

Calculons respectivement la température Tp aux positions 2 cm, 3 cm et 4 cm, en remplaçant les valeurs numériques:

• Tp = 340,6 K = 67,6 ° C; 2 cm du T1
• Tp = 324,4 K = 51,4 ° C; 3 cm de T1
• Tp = 308,2 K = 35,2 ° C; 4 cm du T1

Références

1. Figueroa, D. 2005. Série: Physique pour les sciences et l'ingénierie. Volume 5. Fluides et thermodynamique. Edité par Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Physique: un regard sur le monde. 6e édition abrégée. Apprentissage Cengage.
3. Lay, J. 2004. Physique générale pour les ingénieurs. USACH.
4. Mott, R. 2006. Mécanique des fluides. 4ème. Édition. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Mesure de l'environnement naturel. 2ème. Édition. La presse de l'Universite de Cambridge.
6. Wikipédia. Conductivité thermique. Récupéré de: es.wikipedia.com