Le Transfert de Chaleur : Principes, Modes et Applications Industrielles

L'énergie :

L'énergie nous transporte, nous donne des forces... ,Mais c'est quoi précisément, l'énergie ? 

Richard Phillips Feynman (1918-1988) un physicien américain, disait (l’énergie personne ne sait vraiment ce que c’est mais on sait que ça ce transfert). On peut jamais crée de l’énergie et on peut jamais la détruire.

L’énergie est partout autour de nous, sous une multitude de formes : thermique, mécanique, chimique, électrique...

elle peut se transférés sous forme : travail (W) ou chaleur (Q).

L’énergie = la capacité de produire un effet.

On mesure l’énergie avec une unité particulière que l’on appelle le JOULE.

Énergie interne :

C'est l'énergie que possède une substance par ses forces interne moléculaire.

Si la température augmente la substance reçoit de la chaleur. 

Il y aura une modification dans ces forces donc l'énergie interne change :

∆U= m.C.∆T         avec :

m : masse (Kg)

C : chaleur spécifique (Kj/Kg.°C)

∆T : variations de température (°C ou K )

Quelques propriétés thermiques :

• Flux de chaleur : Est l'énergie thermique qui traverse une paroi par unité de temps, plus la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur est grande plus le flux thermique est grand.

• Conductivité thermique : Est le pouvoir d'un matériau à conduire la chaleur.

• Chaleur spécifique :Est le pouvoir d'une substance à stocker la chaleur.

Transfert de chaleur et ses modes :

Le second principe de la thermodynamique spécifie que le transfert de chaleur se fait du corps chaud vers le corps froid, ou de façon équivalente d’une température élevée vers une température plus basse.

Le transfert de chaleur peut être défini comme le transfert d'énergie d'une zone à une autre une fois que la différence de température entre elles est déterminée.

La chaleur se propage par 03 modes :

- La conduction thermique.

- La convection thermique (naturelle et forcée).

- La radiation (rayonnement).

La conduction thermique 

La conduction est le mode de transfert de chaleur qui se produit lorsque la chaleur est transmise de proche en proche par des interactions moléculaires. Ce processus est important dans les solides et les liquides, car il permet aux particules de transférer de l'énergie thermique entre elles. 

La conduction est beaucoup plus faible dans les gaz et elle se propage par diffusion.

Loi de Fourier :

En 1822, Jean Baptiste Joseph Fourier mathématicien et physicien Français, a proposé la loi de Fourier qui montre la relation qui existe entre le flux de chaleur (𝜑˙), la surface exposé à la chaleur (A ),la Conductivité thermique (k ), la différence de la température ( ∆T), la distance parcourue (l'épaisseur) (∆x).

𝜑˙= k .A .(∆T/∆x)

La convection thermique 

La convection est une méthode de transfert d'énergie par l'action combinée de la conduction, de l'accumulation, de l'énergie et du mouvement d'un milieu.

La transmission de chaleur par convection est désignée selon le mode d’écoulement du fluide, par convection libre (naturelle), convection forcée.

Loi de Newton 

De façon macroscopique la convection est décrite par la loi de Newton (1701) qui lie le flux à un écart de température.

𝜑˙: Flux de chaleur transmis par convection (w)

h : Coefficient de convection thermique (w /m^2 .°C) ou (w/m^2.k).

A : Surface exposé à la convection.

[T₁ ,T₂] : Différence de la température entre le solide et le fluide [avec :T₁>T₂ ] (°C , K).

La convection naturelle :

La convection naturelle est due au contact du fluide avec une paroi plus chaude ou plus froide et qui crée des différences de masse volumique, génératrice du mouvement au sein du fluide.

La convection forcée :

le mouvement est provoquée par un procédé mécanique indépendant des phénomènes thermiques ; c’est donc un gradient de pression extérieur qui provoque les déplacements des particules du fluide.

La radiation (rayonnement) 

Le rayonnement thermique est un mode de transfert entre un solide et un fluide même lointains.

Il résulte de l’émission des rayons électromagnétiques transporte l’énergie. Ce type de transport de chaleur est analogue à la propagation de la lumière,(il peut s’effectuer dans le vide).

Loi de Stephan-Boltzmann 

La loi qui régit le rayonnement thermique est celle de Stephan-Boltzmann.

𝜑˙ : Flux de chaleur transmis par rayonnement (w).

δ : Constante de Stephan-Boltzmann (δ=5,67.10^−8).

ε : Pouvoir d’émissivité [0 ; 1].

A : Surface exposé au rayonnement (m^2).

[ T₁ ,T₂ ] : la différence de la température [avec :T₁>T₂ ] ( K).

Conclusion 

En résumé, le transfert de chaleur est un phénomène qui joue un rôle crucial dans de nombreux domaines, tels que l'ingénierie, la science des matériaux et la climatologie. 

La compréhension des différents modes de transfert de chaleur est donc essentielle pour comprendre et contrôler les échanges thermiques dans ces domaines.