Transferts de
chaleur
Température et chaleur
La température :
C'est une grandeur physique qui caractérise le degrés d'agitation thermique des particules constituant la matière. Elle se mesure à l'aide d'un thermomètre.
La chaleur :
C'est un transfert d’énergie thermique.
Entre deux corps de températures
différentes il peut y avoir un
échange de chaleur jusqu'à ce que les deux corps soient à la même température, c'est à dire jusqu'à l'équilibre thermique.
Les 3 modes de transfert de chaleur
Convection Rayonnement Conduction
La convection
La convection est un mode de transfert thermique qui s'effectue dans un fluide (gaz ou liquide) avec un
déplacement de matière.
Le fluide chaud est plus léger que le fluide froid et monte, laissant la place à de la matière plus froide qui va s'échauffer à son tour...
→ Le film illustrant ce phénomène ←
→ Les chandelles volantes... ←
Le rayonnement
Le transfert d'énergie par les ondes
électromagnétiques est appelé rayonnement
→ Le réchauffement par rayonnement
Selon la nature du photon reçu par la matière il peut il avoir soit ←
transformation chimique, soit agitation des particules élémentaires, c'est à dire un échauffement de la matière.
Et l'effet de serre alors ??? Qu'est-ce que c'est ?
→ Dessin animé expliquant le principe de l'effet de ser re ← → Une animation pour plus de détails... ←
La conduction
La conduction est un mode de transfert thermique, qui s'effectue sans transport de matière.
L'agitation des particules élémentaires se transmet de proche en proche.
La grandeur qui caractérise le comportement d'un matériau lors d'un transfert thermique par conduction est sa
conductivité thermique :
λ qui s'exprime en W.m1.°C1
Exemples :
λcuivre = 386 W.m1.°C1 λfer = 73 W.m1.°C1 λverre = 1,2 W.m1.°C1 λbois = 0,2 W.m1.°C1
Le flux thermique
Un corps chaud échange avec
l'extérieur, pendant une durée Δt, la quantité de chaleur Q, selon les trois modes de transfert thermique...
Le flux de transfert thermique est défini par :
ϕ= Q
Δt
Le flux thermique
Un corps chaud échange avec
l'extérieur, pendant une durée Δt, la quantité de chaleur Q, selon les trois modes de transfert thermique...
Le flux de transfert thermique est défini par :
ϕ= Q Δt
Quantité de chaleur en Joule
C'est une Energie
Durée en secondes Flux de transfert
thermique en Watt C'est une Puissance
Coefficient de transmission thermique
θ
Cθ
Fθ
F< θ
CLe flux dépend de plusieurs facteurs :
- La différence de température entre les deux milieux
- La surface qui sépare les deux milieux
- La matière qui sépare les deux milieux.
Coefficient de transmission thermique
θ
Cθ
Fθ
F< θ
Cϕ= K
G. S. ( θ
C− θ
F)
Coefficient de transmission thermique global en W.m-2.°C-1 Caractéristique de la matière qui sépare les deux milieux
Surface de
séparation en m2 Flux de transfert thermique en Watt
Ecart de température en °C
Résistance thermique
A l'inverse quand c'est la qualité d'isolation thermique qui nous intéresse, dans le cas de vêtements chauds (protégeant du froid), ou dans l'habitat, on s'intéresse
davantage à la notion de résistance thermique :
R
G= 1 K
GLa résistance thermique caractérise la propriété d'un matériau à « résister au flux de chaleur »...
Quelle est son unité ?
Résistance thermique
A l'inverse quand c'est la qualité d'isolation thermique qui nous intéresse, dans le cas de vétements chauds (protégeant du froid), ou dans l'habitat, on s'intéresse davantage à la notion de résistance thermique :
R
G= 1 K
GLa résistance thermique caractérise la propriété d'un matériau à « résister au flux de chaleur »...
Quelle est son unité ? RG s'exprime en m2.°C.W1.
Pour les vêtements, on utilise une autre unité : 1 clo = 0,155 m2.°C.W1
...Qui permet de maintenir l'équilibre thermique d'une personne au repos dans une pièce à 21°C
Transfert de chaleur à travers un mur
Q
Épaisseur e (en m)
ϕ = Q
Δt = S. (θ
C− θ
F) R
R est la résistance thermique de la paroi, elle indique sa capacité à ralentir le transfert de chaleur.
Plus sa valeur est grande plus la paroi est isolante.
Transfert de chaleur à travers un mur
Q
Epaisseur e (en m)
ϕ = Q
Δt = S. (θ
C− θ
F) R
R est proportionnelle à l'épaisseur « e » du matériau, et inversement
proportionnelle à la conductivité thermique « » du matériau.λ
R = e λ
Epaisseur du mur en m
Résistance thermique en m2.K.W-1
Conductivité thermique en W.m-1.K-1
R est la résistance thermique de la paroi, elle indique sa capacité à ralentir le transfert de chaleur.
Plus sa valeur est grande plus la paroi est isolante.
A vous de jouer !
→ Quel est le flux de transfert thermique à travers un m² de la couche de béton ?
→ A votre avis, quel est le flux de transfert thermique à travers un m² de la couche de matériau isolant « Néopor » ?
→ Quelle est la résistance thermique de la couche de béton (d'épaisseur 20 cm) sachant que la conductivité thermique du béton est : λbéton = 0,17 W.m1.K1
Rbéton = e
λbéton = 0,2
0,17 = 1,2 m².K.W−1
ϕ = S.(θC−θF)
Rbéton = 1.(19,91−19,45)
1,2 = 0,38W
Exactement le même puisque il faut bien que la quantité de chaleur qui va traverser le bloc de Néopor aie traversé au préalable la couche de béton...
A vous de jouer !
→ Quelle est la résistance thermique des couches de Néopor et de béton réunies ?
Rneopor+béton = S.(θC−θF) ϕ Rneopor+béton = 1.(19,91+9,91)
0,38 = 78,3 m².K.W−1
→ Que peuton remarquer ?
Rneopor+béton = Rneopor+Rbéton
→ En déduire la résistance thermique de la couche de Néopor et la comparer à celle du béton.
Rneopor = S.(θC−θF)
ϕ = 1.(19,45+9,91)
0,38 = 77,3 m².K.W−1 ≫Rbéton
Transfert de chaleur à travers un mur constitué de plusieurs couches de matériaux différents
Les résistances thermiques des différentes couches s'ajoutent pour former celle du
mur complet :
R
MUR= R
1+ R
2+ R
a+ R
3Exercice d'application :
→ Quelle est la résistance thermique d'un simple vitrage d'épaiseur 4 mm, sachant que la conductivité thermique du verre est λverre = 1,2 W.m1.K1 ?
→ Quelle est la résistance thermique d'un double vitrage d'épaiseur 4164 mm, sachant que la conductivité thermique de l'air est λair = 2,5 . 102 W.m1.K1 ?
Rverre = e
λverre = 0,004
1,2 = 3,33.10−3 m².K.W−1
Rair = e
λair = 0,016
2,5 .10−2 = 0,64 m².K.W−1
RDouble vitrage = Rverre+Rair+Rverre = 3,33.10−3+0,64+3,33.10−3 = 0,65 m².K.W−1
Transfert thermique par rayonnement
En physique, un corps noir est un objet idéal qui absorberait toute l'énergie électromagnétique qu'il recevrait, sans en réfléchir ni en transmettre.
La puissance rayonnée par une surface S d'un corps noir dépend uniquement de sa température et se calcule à l'aide de la loi de Stephan :
ϕ = σ . S . T
4Constante de Stephan
σ = 5,67 . 10-8 W.m-2.K-4 Surface du corps en m2
Puissance rayonnée en W Température du corps en
K
Transfert thermique par rayonnement
La puissance rayonnée par unité de surface, appelée émittance M dépend de la température du corps et de son émissivité :ε
M = σ . ε . T
4Emissivité sans unité Emittance en
W.m-2 Température du
corps en K
Constante de Stephan σ = 5,67 . 10-8 W.m-2.K-4
L'émissivité est un coefficient compris entre 0 et 1. ε
Pour le corps noir = 1 et pour un miroir idéal (parfaitement réfléchissant) = 0.ε ε
Transfert thermique par rayonnement
On peut observer les zones « chaudes » avec une caméra infra-rouge, car c'est principalement dans ce domaine de longueur d'onde que le
rayonnement du à la chaleur apparait.
Ponts thermiques dans une habitation :
