Transfert de chaleur et ses 03 modes

Introduction :

L'énergie est l'une des notions les plus fondamentales et omniprésentes dans l'univers. Elle est à la base de tous les processus physiques, des mouvements les plus subtils aux phénomènes les plus spectaculaires. 

Dans notre quête pour comprendre le fonctionnement du monde qui nous entoure, il est essentiel de saisir le concept d'énergie et son rôle crucial dans notre existence quotidienne et dans les lois qui gouvernent la nature.

L'énergie peut être définie comme la capacité d'apporter un changement, d'accomplir un travail ou d'induire un mouvement. C'est une grandeur abstraite qui ne peut être observée directement, mais dont les effets sont visibles dans tous les aspects de la vie.

L'énergie se manifeste sous différentes formes et peut être convertie d'une forme à une autre, tout en obéissant aux lois de la conservation de l'énergie, qui stipulent que l'énergie totale d'un système isolé reste constante au fil du temps.

Relation énergie / transfert de chaleur : 

Le transfert thermique est étroitement lié au concept d'énergie, car il concerne le déplacement de chaleur d'une région à une autre en raison de la différence de température. L'énergie thermique est une forme d'énergie qui se manifeste sous forme de chaleur, et le transfert thermique est le moyen par lequel cette énergie thermique est déplacée d'un endroit à un autre.

Lorsqu'un objet est à une température plus élevée que son environnement, il possède une quantité d'énergie thermique supérieure. Cette énergie thermique peut être transférée à des objets environnants à une température plus basse, en utilisant les trois modes de transfert thermique : conduction, convection et rayonnement.

Transfert de chaleur :

Le transfert thermique est le processus par lequel la chaleur est transférée d'un objet à un autre en raison d'une différence de température entre eux. 

Il existe trois modes de transfert thermique : la conduction, la convection et le rayonnement. La conduction implique le transfert de chaleur à travers un matériau solide, la convection se produit lorsque la chaleur est transférée par le mouvement d'un fluide, et le rayonnement est le transfert d'énergie thermique sous forme d'ondes électromagnétiques. 

Ces trois modes interagissent souvent dans la réalité pour équilibrer les températures entre différents objets et environnements.

Conduction :

La conduction thermique est le processus par lequel la chaleur se propage à travers un matériau solide ou entre des objets en contact direct. 

Dans ce mode de transfert thermique, les particules à l'intérieur du matériau se mettent en mouvement vibratoire à des températures plus élevées, transmettant ainsi l'énergie aux particules voisines à des températures plus basses. 

Les matériaux conducteurs, tels que les métaux, facilitent la conduction thermique en raison de la libre circulation des électrons à l'intérieur d'eux. Les matériaux isolants, en revanche, ralentissent le processus de conduction en limitant le mouvement des particules. 

L'efficacité de la conduction dépend de la conductivité thermique du matériau, de la surface de contact et de la différence de température entre les objets en contact.

La conductivité thermique :

La conductivité thermique mesure à quelle vitesse un matériau transfère la chaleur. Les métaux ont une conductivité élevée, transférant rapidement la chaleur, tandis que les isolants ont une conductivité basse, ralentissant le transfert de chaleur. C'est crucial pour la conception d'isolants et de dispositifs de refroidissement.

Loi de Fourier :

La loi de Fourier, également connue sous le nom de loi de conduction thermique, établit la relation entre le transfert de chaleur à travers un matériau et le gradient de température qui existe à travers ce matériau. Mathématiquement, elle est exprimée par l'équation:

                    Q= k*A*(dx/dt)

où:

- (Q) représente le flux de chaleur à travers le matériau (en W),

- (k) est la conductivité thermique du matériau (en W/m²*K),

- (A) est la surface à travers laquelle la chaleur se propage (en m²),

-  (dx/dT) est le gradient de température à travers le matériau (en kelvins par mètre).

Convection :

La convection de chaleur est un processus de transfert thermique qui se produit dans les fluides (liquides et gaz) en raison du mouvement du fluide lui-même. Elle implique le transfert de chaleur par le déplacement global du fluide, souvent causé par des différences de température. 

Les fluides chauds ont tendance à monter, tandis que les fluides plus frais descendent, créant un cycle de circulation qui transfère la chaleur d'une région à une autre. Ce processus joue un rôle important dans des phénomènes tels que la circulation atmosphérique, les courants océaniques, et même dans des activités quotidiennes comme faire bouillir de l'eau.

Coefficient de convection :

Le coefficient de convection thermique, souvent noté h, est une valeur qui mesure l'efficacité du transfert thermique par convection entre une surface solide et un fluide environnant. 

Il indique à quelle vitesse la chaleur est transférée entre la surface et le fluide en fonction de la différence de température entre eux.

Le coefficient de convection dépend de plusieurs facteurs, tels que la nature du fluide, la vitesse du fluide, la géométrie de la surface et les propriétés thermiques du matériau. Des valeurs plus élevées de ce coefficient signifient généralement un transfert thermique plus rapide entre la surface et le fluide environnant.

Loi de Newton :

La notion de "Loi de Newton" en relation avec la convection thermique fait référence à la loi de transfert de chaleur par convection formulée par Sir Isaac Newton. 

Cette loi stipule que le taux de transfert de chaleur par convection entre une surface solide et un fluide environnant est proportionnel à la différence de température entre la surface et le fluide.

Mathématiquement, cela peut être exprimé comme :

                    Q = h*A*∆T 

où :

- (h) est le coefficient de convection thermique (en W/m² * °C)

- (∆T) est la différence de température entre la surface et le fluide (en °C ).

Rayonnement :

Le rayonnement thermique est le processus par lequel la chaleur est transférée sous forme d'ondes électromagnétiques, généralement dans le domaine infrarouge, en raison des vibrations des particules subatomiques dans un corps chaud.

Contrairement à la conduction et à la convection, le rayonnement thermique peut se propager même à travers le vide, car il ne nécessite pas de milieu matériel pour se déplacer.

Loi de Boltzmann :

Selon la loi de Stefan-Boltzmann, la puissance totale rayonnée par un corps est proportionnelle à la quatrième puissance de sa température absolue (en kelvins).

Mathématiquement, cela peut être exprimé comme :

                  Q = e *sigma*A* T⁴

où :

- (sigma) est la constante de Stefan-Boltzmann ((5.67 * 10^-⁸ ) W/m²K⁴).