Movatterモバイル変換

Aller au contenu

Transfert thermique

Modifier les liens

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

Page d’aide sur l’homonymie

Cet article concerne la notion de chaleur en thermodynamique. Pour les autres sens, voirChaleur.

Autour d'un feu, des mains reçoivent sa chaleur par rayonnement (sur le côté), par convection (au-dessus de ses flammes) et par conduction (à travers un ustensile en métal). — Les modes de transfert thermique : conduction, convection et rayonnement.

Untransfert thermique, appelé plus communémentchaleur^[1], est l'un des modes d'échange d'énergie interne entre deuxsystèmes, l'autre étant letravail : c'est un transfert d'énergie thermique qui s'effectue hors de l'équilibre thermodynamique. On distingue trois types de transfert thermique, qui peuvent coexister :

laconduction, due à la diffusion progressive de l'agitation thermique dans la matière ;
laconvection, transfert thermique qui accompagne les déplacements macroscopiques de la matière ;
lerayonnement, qui correspond à la propagation dephotons.

La quantité de chaleurQ est la quantité d'énergie échangée^[2] par ces trois types de transferts, elle s'exprime enjoules (J). Parconvention,Q > 0 si le système reçoit de l'énergie. Lathermodynamique s’appuie sur le concept dechaleur pour ériger lepremier et ledeuxième principe de la thermodynamique.

La signification du mot « chaleur » dans le langage courant entretient souvent des ambiguïtés et des confusions, notamment avec latempérature. S'il est vrai que les transferts thermiques spontanés se font depuis les régions de température plus élevée vers les régions de température plus basse, il est néanmoins possible de réaliser un transfert thermique d'un corps froid vers le corps chaud, à l'aide d'unemachine thermique comme unréfrigérateur. Par ailleurs, lors d'unchangement d'état, par exemple lors de l'ébullition, uncorps pur ne change pas de température alors qu'il échange de l'énergie sous forme de chaleur.

L'exemple le plus simple de situation mettant en jeu un transfert thermique est celui de deux corps en contact ayant destempératures différentes. Le corps le plus chaud cède de l'énergie au corps le plus froid par conduction ; sa température diminue, le désordre, l'agitation thermique, diminue. En contrepartie, la température du corps froid augmente, l'agitation thermique augmente en son sein.

Historique et évolution de la terminologie

[modifier |modifier le code]

Lachaleur, dans le langage courant, est souvent confondue avec la notion detempérature. Bien que très différentes d'un point de vue scientifique, les deux notions sont tout de même reliées et la genèse de lathermodynamique a parfois induit cette confusion. Les expressions comme « l'eau est chaude » pourrait faire croire, à tort, que la chaleur est une propriété du système alors qu'il s'agit d'un transfert d'énergie (de l'eau, chaude, vers l'environnement environnant, plus froid). Aussi, il est incorrect de dire « l'eau perd de la chaleur » lorsqu'elle refroidit. L'expression « transfert de chaleur » est unpléonasme pourtant très répandu^[2].

Jusqu'auXVIII^e siècle, les scientifiques pensaient que la chaleur était constituée d'un fluide que l'on avait nommé le phlogistique (théorie du phlogistique).

AuXIX^e siècle, la chaleur est assimilée à un fluide : le calorique. Les progrès et les succès de lacalorimétrie imposent cette théorie jusqu'au milieu duXIX^e siècle. Cette conception est par exemple reprise par Sadi Carnot : un moteur thermique ne peut fonctionner que si la chaleur circule d'un corps dont la température est plus élevée vers un corps dont la température est plus faible ; raisonnement correspondant à une analogie avec une machine hydraulique qui tire son énergie du passage de l'eau d'un réservoir d'altitude élevée vers un réservoir d'altitude inférieure.

Ce n'est qu'avec l'avènement de lathermodynamique statistique que la chaleur sera définie comme un transfert de l'agitation thermique des particules au niveaumicroscopique. Un système dont les particules sont statistiquement plus agitées présentera une température d'équilibre, définie à l'échelle macroscopique, plus élevée. La température est donc une grandeurmacroscopique qui est le reflet statistique desénergies cinétiques des particules à l'échelle microscopique. Au cours de chocs aléatoires, les particules les plus agitées transmettent leurs énergies cinétiques aux particules les moins agitées. Le bilan de ces transferts d'énergies cinétiques microscopiques correspond à la chaleur échangée entre des systèmes constitués de particules dont l'agitation thermique moyenne est différente.

La température est unefonction d'état intensive servant à décrire l'état d'équilibre d'un système alors que la chaleur est untransfert d'agitation thermique assimilable à une quantité d'énergie, associé à l'évolution d'un système entre deux états distincts ou identiques si latransformation est cyclique.

Modes de transferts thermiques

[modifier |modifier le code]

Les modes fondamentaux de transfert thermique sont :

laconduction ou diffusion : le transfert d'énergie entre objets en contact physique ;
laconvection : le transfert d'énergie entre un objet et son environnement, dû à un mouvementfluide ;
lerayonnement : le transfert d'énergie par l'émission derayonnement électromagnétique.

Pour les quantifier, il est pratique d'utiliser leflux thermique $\Phi ={\frac {\delta Q}{\mathrm {d} t}}={\dot {Q}}$ , qui est lapuissance échangée, enwatts (W), ou encore mieux, ladensité de flux thermique (ou flux thermique surfacique) $\varphi ={\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} S}}$ enwatts par mètre carré (W m⁻²).

Conduction

[modifier |modifier le code]

Illustration de l'agitation thermique.

Article détaillé :Conduction thermique.

Le transfert par conduction est un échange d'énergie se réalisant sans déplacement de matière : il concerne donc les solides et les fluides immobilisés. Ce transfert peut se réaliser au sein d'un seul corps ou par contact entre deux corps. L'énergie thermique, ou vibration des atomes autour de leur position d'équilibre dans le solide, se transmet de proche en proche par un phénomène de diffusion. Lescristaux disposent d'un mode de transfert thermique supplémentaire particulier associé aux vibrations du réseau (voirphonon).

Dans le cas le plus simple d'une paroi d'épaisseure solide dont les deux surfaces d'aireS présentent une différence de température homogèneT₁ –T₂, leflux thermique dépend de laconductivité thermique λ du matériau (W m⁻¹ K⁻¹) :

\Phi _{1\rightarrow 2}=\lambda \,S\,{\frac {T_{1}-T_{2}}{e}}={\frac {T_{1}-T_{2}}{R_{\mathrm {th} }}}

R_th est la résistance thermique de conduction.

Pour une étude plus approfondie, il faut exploiter laloi de Fourier :

{\overrightarrow {\varphi }}=-\lambda \ {\overrightarrow {\mathrm {grad} }}\,T

.

C'est une loi de diffusion similaire à laloi de Fick qui décrit la diffusion de la matière.

Convection

[modifier |modifier le code]

Illustration de mouvements de convection.

Article détaillé :Convection thermique.

Le transfert thermique par convection est dû au déplacement de molécules qui induit un déplacementmacroscopique de l'énergie thermique : il se produit dans lesfluides (liquides ougaz) et à l'interface entre un solide et un fluide. Ces molécules se déplaçant, elles transfèrent leur énergie thermique à une autre partie du système. On peut distinguer deux types de convection.

La convection naturelle (ou libre) est due à la différence demasse volumique entre lesparticules composant le fluide. Les particules des zones chaudes, de masse volumique plus faible, montent et laissent leur place à des particules plus froides ; elles cèdent une partie de l'énergie thermique et leur température diminue, ce qui les pousse à rejoindre une partie plus chaude.
La convection forcée est due à la mise en mouvement du fluide par une action extérieure comme un l'effet d'un ventilateur. Le mouvement accélère le transfert thermique.

Dans le cas le plus simple d'une paroi solide de surfaceS et de température homogèneT₁ en contact avec un fluide à la températureT₂ à grande distance de la paroi, le flux thermique dépend ducoefficient de convection thermiqueh du matériau (W m⁻² K⁻¹) :

\Phi _{1\rightarrow 2}=h\,S\,(T_{1}-T_{2})={\frac {T_{1}-T_{2}}{R_{\mathrm {th} }}}

R_th est la résistance thermique de convection. Autrement écrit, $\varphi =h\,(T_{1}-T_{2})$ .

Le transfert thermique peut être formulé par laloi de refroidissement de Newton qui indique qu'il est proportionnel à la différence de température entre le corps étudié et son milieu environnant.

Rayonnement

[modifier |modifier le code]

Objet chaud rayonnant en partie dans lespectre visible.

Article détaillé :Rayonnement électromagnétique.

Représentation schématique du transfert thermique par radiation.

Le rayonnement, parfois dit thermique, est un rayonnement électromagnétique. On l'associe souvent à un rayonnementinfrarouge car c'est cette partie duspectre qui est le plus souvent prépondérante dans les échanges thermiques. Quelle que soit sa température, un corps émet un rayonnement, celui-ci est plus ou moins intense selon cette température. Lalongueur d'onde à laquelle est émise ce rayonnement dépend aussi de cette température. Ainsi, le rayonnement thermique émis par le Soleil est situé principalement dans le visible. Des corps plus froids comme les mammifères émettent quant à eux dans l'infrarouge. Ce mode de transfert est le seul à se réaliser dans le vide, cas durayonnement solaire arrivant sur Terre. Néanmoins, celui-ci se réalise aussi dans les matériaux transparents. Il est important de le prendre en compte dans le cas des fortes températures ou simplement en l'absence de conduction et de convection.

Lecorps noir est un corps théorique capable d'absorber la totalité du rayonnement qu'il reçoit. Il présente la propriété de respecter laloi de Planck et laloi du déplacement de Wien qui permettent de déterminer sonspectre d'émission en fonction de sa température.

Le flux thermique surfacique, qui équivaut à uneexitance énergétique, s'exprime par rapport à l'émission du corps noir dans laloi de Stefan-Boltzmann :

\varphi =\varepsilon \,\sigma \,T^{4}

,

avec

$\sigma$ :constante de Stefan-Boltzmann (5,670 3 × 10⁻⁸ W m⁻² K⁻⁴) ;
$\varepsilon$ :émissivité, indice valant 1 pour uncorps noir et qui est compris entre 0 et 1 selon l’état de surface du matériau (sans dimension) ;
$T {\displaystyle T}$ : température du corps (K).

Si le corps récepteur réfléchit certaines longueurs d'onde ou est transparent à d'autres, seules les longueurs d'onde absorbées contribuent à son équilibre thermique. Si par contre le corps récepteur est uncorps noir, c'est-à-dire qu'il absorbe tous les rayonnements électromagnétiques, alors tous les rayonnements contribuent à son équilibre thermique.

Comparaison des modes de transfert

[modifier |modifier le code]

Mode de transfert	Matière de transfert	Milieu de transfert	Transport de matière
Conduction	Solides et fluides	Au sein d'un seul corps ou par contact entre deux corps	Non
Convection	Fluides^[a]	Au sein d'un seul fluide ou au contact entre un solide et un fluide	Oui
Rayonnement	Solides, fluides et vide	À partir d'un corps rayonnant vers un autre	Non

Combinaison des modes de transfert

[modifier |modifier le code]

Le transfert d'énergie par chaleur se réalise généralement par une combinaison de plusieurs modes de transfert. Par exemple, unchauffage central, combine successivement la convection (en général forcée) pour chauffer le circuit dufluide caloporteur à partir de lachaudière, puis la conduction pour chauffer les parois duradiateur qui à leur tour réchauffent l'air en contact, et enfin la convection (en général naturelle) de l'air associée au rayonnement de la masse du radiateur (d'où le nom de ce dernier).

Parfois le transfert thermique s'accompagne d'un transfert de matière. Par exemple, dans le cas de l'ébullition d'un liquide, une partie du liquide subit unchangement d'état physique et le gaz ainsi créé se sépare du liquide.

Chaleur et thermodynamique

[modifier |modifier le code]

Article connexe :Chaleur (thermodynamique).

Évolution spontanée de deux corps en contact

[modifier |modifier le code]

Soient deux objetsA etB indéformables (δW = 0) formant unsystème isolé (δQ = 0). Conformément aupremier principe de la thermodynamique, la variation de l'énergie interne est égale à la somme de lachaleur et dutravail :δW + δQ = dU.

SiδQ_A etδQ_B sont respectivement les énergies thermiques élémentaires échangées entre l’objetA et l’objetB,δQ_A + δQ_B = δQ = 0, d’où :δQ_A = – δQ_B.

Ledeuxième principe de la thermodynamique permet d’écrire la relation suivante liant lesentropies des objetsA etB :

\mathrm {d} S_{(A+B)}=\mathrm {d} S_{A}+\mathrm {d} S_{B}\ >0

,

puisque le système est isolé. Par définition, $\textstyle \mathrm {d} S={\frac {\delta \,Q}{T}}$ $\textstyle \Rightarrow \mathrm {d} S_{(A+B)}={\frac {\delta \,Q_{A}}{T_{A}}}+{\frac {\delta \,Q_{B}}{T_{B}}}$ , alors, il vient :

\delta \,Q_{A}\left({\frac {1}{T_{A}}}-{\frac {1}{T_{B}}}\right)>0

.

SiδQ_A < 0 et donc queδQ_B > 0, alorsT_A >T_B. En vertu de larègle des signes, on conclut que l’objetA cède de la chaleur à l’objetB. L’objet le plus chaud cède donc de la chaleur à l’objet le plus froid.

Premier principe

[modifier |modifier le code]

Article détaillé :Premier principe de la thermodynamique.

Lepremier principe de la thermodynamique est un principe deconservation de l'énergie. Il introduit lafonction d'état énergie interneU.

Au cours d'une transformation d'unsystème thermodynamique fermé, entre deux étatsI initial etF final, la variation de l'énergie interne est due à la somme :

destravaux réalisés $W_{I\rightarrow F}$ , c'est-à-dire des transferts d'énergie microscopique ordonnée ; en général le travail desforces de pression ;
des chaleurs $Q_{I\rightarrow F}$ , c'est du transfert d'énergie microscopique désordonnée.

Ce qui se traduit par : $\Delta U=U(F)-U(I)=W_{I\rightarrow F}+Q_{I\rightarrow F}$ .

On en déduit donc unedéfinition formelle de la chaleur le long d'un chemin bien défini allant de I à F :

Q_{I\rightarrow F}=U(F)-U(I)-W_{I\rightarrow F}

.

L'intégrale curviligne permettant le calcul du travail des forces de pression: $W_{I\rightarrow F}=\int _{V_{I}}^{V_{F}}{-P\,\mathrm {d} V}~$ , n'est pas indépendante du chemin suivi pour aller deI versF car le travail n'est pas unefonction d'état. Il s'ensuit également que la chaleur n'est pas une fonction d'état et donc qu'elle dépend du chemin suivi. Notamment si la transformation permettant d'amener un corps de l'étatI à l'étatF est réalisée de deux façons différentes, les chaleurs mises en jeu sont égalementa priori différentes.

Néanmoins dans certaines conditions expérimentales, la chaleur mise en jeu est égale à la variation d'une fonction d'état. En voici quelques exemples, pour un système fermé contenantn moles de matière.

Transformations particulières

[modifier |modifier le code]

Transformationadiabatique : $Q=0$ , il n'y a pas de chaleur échangée avec l'extérieur.
Transformationisochore (à volume constant) : $Q=\Delta U=nC_{V\mathrm {m} }\Delta T~$ , où lacapacité thermique molaire à volume constant est notée $C_{V\mathrm {m} }$ .

Démonstration

En écrivant la différentielle de l'énergie interne $U=U(T,V)$

\mathrm {d} U=\left({\frac {\partial U}{\partial T}}\right)_{V}\mathrm {d} T+\left({\frac {\partial U}{\partial V}}\right)_{T}\mathrm {d} V=\delta Q+\delta W=\delta Q-P.\mathrm {d} V

,

et si $V=\mathrm {cte}$ : $\mathrm {d} U=\left({\frac {\partial U}{\partial T}}\right)_{V}\mathrm {d} T=\delta Q_{V}$ . La grandeur $\left({\frac {\partial U}{\partial T}}\right)_{V}$ est lacapacité thermique à volume constant, notée $C_{V}$ et qui s'exprime enJ K⁻¹.

On lui associe une capacité thermique molaire à volume constant, notée $C_{V\mathrm {m} }$ et qui s'exprime en J K⁻¹ mol⁻¹, telle que pour $n {\displaystyle n}$ moles, $C_{V}=n\,C_{V\mathrm {m} }$ .

\delta Q_{V}=\left({\frac {\partial U}{\partial T}}\right)_{V}\mathrm {d} T=C_{V}\mathrm {d} T=n\,C_{V\mathrm {m} }\mathrm {d} T

Enfin, pour une transformation isochore allant de l'étatA défini parT_A à un étatB défini parT_B :

Q_{V}=\int _{T_{A}}^{T_{B}}{nC_{V\mathrm {m} }\mathrm {d} T}

$C_{V\mathrm {m} }$ est fonction deT. Mais si l'intervalle deT n'est pas trop grand (quelques dizaines voire centaines de degrés), on peut la considérer en première approximation comme constante, alors :

Q_{V}=\Delta U=n\,C_{V\mathrm {m} }\Delta T~

Transformation isobare (à pression constante) : $Q=\Delta H=n\,C_{P\mathrm {m} }\Delta T~$ , où lacapacité thermique molaire à pression constante est notée $C_{P\mathrm {m} }$ .

Démonstration

La différentielle de l'enthalpie $H=H(T,P)$

\mathrm {d} H=\left({\frac {\partial H}{\partial T}}\right)_{P}\mathrm {d} T+\left({\frac {\partial H}{\partial P}}\right)_{T}\mathrm {d} P=\delta Q+V\mathrm {d} P

et la condition $P=\mathrm {cte}$ amènent :

\mathrm {d} H=\left({\frac {\partial H}{\partial T}}\right)_{P}\mathrm {d} T=\delta Q_{P}

.

La grandeur $\textstyle \left({\frac {\partial H}{\partial T}}\right)_{P}$ est lacapacité thermique à pression constante, notée $C_{P}$ et qui s'exprime enJ K⁻¹. On lui associe une capacité thermique molaire à pression constante, notée $C_{P\mathrm {m} }$ et qui s'exprime en J K⁻¹ mol⁻¹, telle que pour $n {\displaystyle n}$ moles, $C_{P}=n\,C_{P\mathrm {m} }$ .

\delta Q_{P}=C_{P}\,\mathrm {d} T=n\,C_{P\mathrm {m} }\,\mathrm {d} T

Enfin pour une transformation isobare allant de l'étatA défini parT_A à un étatB défini parT_B

Q_{P}=\int _{T_{A}}^{T_{B}}{n\,C_{P\mathrm {m} }\,\mathrm {d} T}

.

$C_{P}~$ est fonction deT. Mais si l'intervalle deT n'est pas trop grand (quelques dizaines voire centaines de degrés), on peut la considérer en première approximation comme constante. D'où :

\Delta H=Q_{P}=n\,C_{P\mathrm {m} }\Delta T~

.

Changement d'état d'uncorps pur (pression et température constante) : $Q=n\,\Delta _{1\to 2}H$ , où l'enthalpie molaire de changement d'état est notée $\Delta _{1\to 2}H$ , anciennement nommée chaleur latente^[3] molaire de changement d'état.

Ces propriétés sont mises à profit dans le domaine de lacalorimétrie effectuée dans uncalorimètre fonctionnant soit à pression constante soit à volume constant dans le cas d'unebombe calorimétrique.

Deuxième principe

[modifier |modifier le code]

Article détaillé :Deuxième principe de la thermodynamique.

Ledeuxième principe de la thermodynamique est un principe d'évolution. Il introduit la fonction d'étatentropie qui est une mesure du désordre de la matière. La fonction entropie est définie à l'échelle macroscopique de telle sorte que sa variation au cours de latransformation réversible d'un système correspond au rapport de la quantité de chaleur échangée avec le milieu extérieur sur la température du système :

\mathrm {d} S={\frac {\delta Q_{rev}}{T}}\Leftrightarrow \delta Q_{rev}=T\,\mathrm {d} S

.

Et pour une transformation finie à températureT constante, allant d'un étatI à un étatF d'équilibre :

Q_{rev}=T\,\Delta S=T\,(S(F)-S(I))

.

La chaleur est donc associée à une variation d'entropie. Or, plus il y a création d'entropie, plus la transformation estirréversible et plus le travail utile récupéré sera faible : la chaleur est « une dégradation qualitative de l'énergie »^{[réf. souhaitée]}.

Notes et références

[modifier |modifier le code]

Notes

[modifier |modifier le code]

↑Il suffit, plus exactement, que le milieu puisse se déformer indéfiniment quand il est soumis à unecontrainte maintenue durablement. C'est le cas desfluides au sens propre (liquides etgaz) mais aussi des solidesrhéologiques à très long terme. Lemanteau terrestre, notamment, se comporte comme un solide élastique à court terme (d'une fraction de seconde à plusieurs années), mais comme un fluide à l'échelle de millions ou milliards d'années : il est soumis à des courants de convection (convection mantellique).

Références

[modifier |modifier le code]

↑Stéphane Olivier et Hubert Gié,Thermodynamique, Paris, Tec & Doc Lavoisier,coll. « Sciences physiques »,1998, 512 p.(ISBN 978-2-7430-0133-9),p. 133
« Un tel transfert d'énergie est appelé chaleur ou, mieux, transfert thermique et noté Q. »
, assorti d'un appel de note de bas de page qui explique :
« Le mot « chaleur » est de loin le plus utilisé : c'est un héritage légué par les fondateurs de la thermodynamique, et qui s'impose par sa simplicité. L'usage courant de formules telles que « l'eau est chaude » confère au mot « chaleur » une ambiguïté regrettable : on sous-entend ainsi que la chaleur est une forme d'énergie stockée par l'eau, alors que la chaleur n'est qu'une forme d'échange d'énergie. »
↑a etbRichard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre 2018
↑La chaleur latente est la quantité de chaleur échangée par un système lors d'un transformation isotherme ; par opposition, la chaleur sensible est la quantité de chaleur dont l'apport fait varier la température du système. (Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre 2018)

Voir aussi

[modifier |modifier le code]

Sur les autres projets Wikimedia :

chaleur,sur leWiktionnaire
Introduction aux transferts thermiques,surWikiversity
Transferts thermiques,surWikibooks

Unecatégorie est consacrée à ce sujet :Transfert thermique.

Bibliographie

[modifier |modifier le code]

Document utilisé pour la rédaction de l’article : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

Bruno Chéron,Transferts Thermiques : Résumé de cours, problèmes corrigés, Ellipses,1999(ISBN 978-2729899103)
Esteban Saatdjian,Les bases de la mécanique des fluides et des transferts de chaleur et de masse pour l'ingénieur, Sapientia,2009(ISBN 978-2911761850)
René Leleu,Transferts de chaleur, Paris,Éditions techniques de l'ingénieur,1992(BNF 14017046,lire en ligne [PDF])
RichardTaillet, LoïcVillain et PascalFebvre,Dictionnaire de physique, De Boeck Superieur,23 janvier 2018, 976 p.(ISBN 978-2-8073-0744-5,lire en ligne).

Articles connexes

[modifier |modifier le code]

Liens externes

[modifier |modifier le code]

Notice dans un dictionnaire ou une encyclopédie généraliste :
- Britannica
Notices d'autorité :

Ce document provient de « https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Transfert_thermique&oldid=226055523 ».

Catégories :

Catégories cachées :

[8]ページ先頭

©2009-2026 Movatter.jp