CHAPITRE 4 : ORIGINE ET TRAITEMENT DES ANOMALIES
5.2 Modes de transfert de chaleur
Le flux de chaleur naturelle semble être un élément clé. Il consiste à estimer à la fois la convection et la conduction de la chaleur des composants naturels d'écoulement de la terre à la surface. Le flux de chaleur naturelle d'un système géothermique est la combinaison des deux (par exemple, par advection, la décharge du liquide à partir de sources chaudes naturelles et les parties conductrices). Il donne une indication claire non seulement de l'énergie stockée, mais aussi sur la recharge thermique du réservoir. On distingue trois mécanismes d'échange de chaleur entre les milieux matériels, par conduction, par rayonnement et par convection (Franco, A., Donatini, F., 2017).
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5.2.1 Notion de température
L’unité de température est définie officiellement comme suit :
"Le Kelvin (K) est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau". On utilise fréquemment la température Celsius1 définie par la différence T-T0 entre deux températures thermodynamiques T et T0 avec T0 = 273,15 K. Une différence de température peut s'exprimer soit en Kelvins, soit en degrés Celsius (Franco, A., Donatini, F.,
2017).
En rétrospective, on pourrait dire qu’une tout aussi dommageable lacune était le manque de données. Kelvin a confirmé que le flux de chaleur varie en grandes quantités à la surface de la Terre, il n’a pas préconisé un simple uniforme model pour l'ensemble de la planète.
On dit qu’à l'instant t la température d’un corps est uniforme si, en cet instant, tous les appareils de mesure indiquent la même valeur T quelle que soit leur position. Elle est
constante si T est indépendante de l’instant d'observation. Si ces deux conditions ne sont pas
réalisées, la température est une fonction T(x,y,z,t) des coordonnées du repère d’espace-temps. A l’intérieur d’un corps homogène, on peut donc définir à chaque instant t des surfaces isothermes caractérisées par T(x,y,z,t) = cste (Franco, A., Donatini, F., 2017).
Les grandes variations latérales des flux de chaleur qui se produisent sur terre fournissent de l'information sur les mécanismes de refroidissement et des sources de chaleur qui sont aussi importantes que la moyenne mondiale.
Le gradient géothermique représente l’augmentation de la température avec la profondeur. En certains points du globe, et notamment dans les régions volcaniques, qui correspondent à des intrusions de magma dans la croûte terrestre, en relation avec la magnitude du flux géothermique et la conductivité thermique du matériel terrestre traversé par ce flux, tel que spécifié par la loi de Fourier de la conduction thermique.
La dérivabilité de la fonction T permet de définir en chaque point M et à chaque instant t un vecteur gradient de température ▼T (Figure.40), normal en M à la surface isotherme, et dont les composantes sont en coordonnées cartésiennes ( 𝜕𝑋 𝜕𝑇 ,𝜕𝑦 𝜕𝑇 ,𝜕𝑧 𝜕𝑇 )
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Fig.40: Gradient de température dans une direction D
On définit également le gradient de température dans une direction D, comme le produit scalaire:T. nΔ=//T //.cos Ɵ (Franco, A., Donatini, F., 2017).
5.2.2 Notion de chaleur
Entre deux instants t et t', l'interaction étudiée s’accompagne d'un échange de chaleur ∂Q, on appelle flux thermique moyen la quantité ∂Q/(t-t') et, par un passage à la limite, on peut définir :
un flux thermique (c’est une puissance) instantanée en Watts [W],
ramenée à l'unité de surface on parle de densité de flux thermique [W/m2]. On nomme flux-mètre l'appareil de mesure correspondant.
En l'absence de précision, le terme gradient désigne celui dans la direction normale à une surface.
5.2.3 Conduction
C'est une transmission de chaleur dans la masse d’un milieu matériel, les zones chaudes cèdent de la chaleur à celles qui le sont moins. La chaleur est transmise, suite à une différence de température, d’une molécule à l’autre sans déplacement de matière. C'est le cas lorsqu'on chauffe l'extrémité d'une barre. Au plan corpusculaire, l’interprétation est la suivante : une zone chaude est occupée par des particules à vitesse élevée, par définition même de la température. Le mouvement brownien fait constamment passer des particules d'une zone à l'autre ; mais entre zones à températures inégales, les particules ont des énergies cinétiques différentes ; le brassage a pour effet de transférer de l'énergie cinétique d'agitation, des zones chaudes vers celles qui le sont moins. La manifestation macroscopique en est un transfert de chaleur. C'est donc un mécanisme de chocs qui intervient.
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5.2.4 Rayonnement
C'est une transmission d'énergie à distance, entre deux corps séparés ou non par un milieu matériel (transformation d'énergie thermique d'un émetteur en énergie électromagnétique, propagation, transformation partielle en énergie thermique sur un corps récepteur). C'est le cas de l'énergie qui nous vient du soleil. L'interprétation physique est la suivante : tout corps émet des particules désignées par "photons"; ceux-ci se déplacent à la vitesse de la lumière et transportent une énergie fonction de leur "longueur d'onde" .Un corps C émettant des photons dans toutes les directions possibles, certains d'entre eux sont reçus par l'autre corps C' et éventuellement absorbés, en tout ou partie. Bien entendu, le corps C’émet aussi des photons dont certains seront reçus et absorbés par C. Le bilan net se traduit par un échange d'énergie entre C et C'.
5.2.5 Convection
C'est le phénomène observé entre un fluide en mouvement et une paroi, phénomène principal dans la plupart des échangeurs de chaleur. L’énergie est transmise par un déplacement de matière (mouvement de fluide) dans le milieu. La cause profonde est encore une agitation des particules fluides, mais à une échelle beaucoup moins microscopique. Les parcelles de matière au contact de la paroi (chaude par exemple) s'échauffent par conduction ; le mouvement du fluide reporte ces parcelles dans la masse où elles cèdent par mélange une partie de la chaleur reçue ; d'autres les remplacent à la paroi et ainsi de suite.
Quant au mouvement du fluide, il peut avoir deux causes. Ou bien il est imposé de l'extérieur par une machine (pompe, ventilateur, compresseur) ; c’est la convection forcée. Ou bien le contact du fluide avec la paroi plus chaude ou plus froide crée des différences de masse volumique, génératrices de mouvement au sein du fluide ; c'est la convection naturelle. Rigoureusement, même en convection forcée, les différences de densité créent un écoulement parasite, en général insignifiant par rapport à l’écoulement principal. On parle de convection mixte quand les deux phénomènes ont de l'importance.
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