Systèmes & Procédés- SPCL 1 - Transfert thermique Systèmes & Procédés- SPCL Préambule : température grandeur physique mesurée à l’aide d’un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud transfert thermique entre le corps humain et son environnement. Systèmes & Procédés- SPCL Température ≠ chaleur température chaleur énergie thermique énergie cinétique d'agitation microscopique d'un objet, qui est due à une agitation désordonnée de ses molécules et de ses atomes Transfert d'énergie thermique Systèmes & Procédés- SPCL Transfert d'énergie thermique échange d'énergie thermique irréversible qui a lieu d'une source chaude vers une source froide uniquement. Systèmes & Procédés- SPCL Transfert d'énergie thermique L’objet le plus chaud cède donc de la chaleur à l’objet le plus froid. Systèmes & Procédés- SPCL Transfert d'énergie thermique système dont la température reste constante changement d'état physique Systèmes & Procédés- SPCL Flux thermique puissance qui traduit la vitesse du transfert énergétique. Φ Φ= Φ le flux thermique ΔE Q Δt watt (W) ΔEQ la variation d'énergie thermique pendant Δt Joule (J) Δt la durée du transfert seconde (s) Systèmes & Procédés- SPCL Flux thermique Exemple : S'il faut une durée de 5 minutes pour faire chauffer 200 grammes d'eau initialement à 30°C jusqu'à une température de 90°C, sachant que l'énergie thermique apportée vaut 5,85.104 J, le flux thermique est de : Φ= Φ= ΔE Q Δt 5,85×10 4 5×60 Φ =1,95×10 2 W Systèmes & Procédés- SPCL Modes de transfert de chaleur convection conduction rayonnement Systèmes & Procédés- SPCL Rayonnement thermique transfert par rayonnement électromagnétique. dans les fluides (air) dans certains solides (verre) dans le vide (espace) rayonnement solaire arrivant sur Terre Seul transfert de chaleur à se réaliser dans le vide Systèmes & Procédés- SPCL Rayonnement thermique rayonnement électromagnétique. animation Systèmes & Procédés- SPCL Rayonnement thermique Quelle que soit sa température, un corps émet un rayonnement thermique, intensité température Longueur d'onde Systèmes & Procédés- SPCL Rayonnement thermique UV UV – visible - IR IR IR visible Systèmes & Procédés- SPCL Rayonnement thermique caméra thermique Systèmes & Procédés- SPCL Rayonnement thermique Systèmes & Procédés- SPCL Rayonnement thermique Systèmes & Procédés- SPCL Modes de transfert de chaleur conduction convection rayonnement Systèmes & Procédés- SPCL convection thermique définition ensemble des mouvements internes (verticaux ou horizontaux) qui animent un fluide et qui impliquent le transport des propriétés des parcelles de ce fluide au cours de son déplacement échange de chaleur entre une surface et un fluide mobile à son contact déplacement de chaleur au sein d'un fluide par le mouvement d'ensemble de ses molécules Systèmes & Procédés- SPCL convection thermique beau temps air ascendant exemples cumulus Cumulus humilis Systèmes & Procédés- SPCL convection thermique orage air descendant exemples cumulus Cumulonimbus (cappilatus incus) Systèmes & Procédés- SPCL convection thermique Brise de mer Brise de terre exemples Systèmes & Procédés- SPCL convection thermique exemples Courant thermohalin Systèmes & Procédés- SPCL convection thermique exemples Courant thermohalin Réchauffement de l'Europe par le Gulf Stream Gulf Stream le long des côtes américaines Systèmes & Procédés- SPCL convection thermique exemples Systèmes & Procédés- SPCL Modes de transfert de chaleur conduction convection rayonnement Systèmes & Procédés- SPCL conduction thermique (diffusion thermique) définition mode de transfert thermique provoqué par une différence de température entre deux régions d'un même milieu, ou entre deux milieux en contact Pas de déplacement global de matière (à l'échelle macroscopique) Systèmes & Procédés- SPCL conduction thermique origine transport de l'énergie interne transmission de proche en proche de l'agitation thermique hétérogénéité de l'agitation moléculaire Systèmes & Procédés- SPCL conduction thermique Loi de Fourier ⃗ f = −l (⃗ gradT ) densité de flux de chaleur gradient de température watt par mètre carré (W·m-2) proportionnelle constante l de proportionnalité température T en kelvin (K) conductivité thermique du matériau l>0 watt par mètre-kelvin (W·m-1·K-1) Systèmes & Procédés- SPCL conduction thermique Régime stationnaire ou permanent La température ne dépend que de la valeur de x Chaleur échangée à travers S pendant un temps dt F= dQ dt Flux thermique en W puissance thermique d Q>0 x Systèmes & Procédés- SPCL conduction thermique Loi de Fourier F= F dQ dt =−l S dT dx Densité de flux thermique flux thermique f= watt W f F S watt par mètre carré (W·m-2) f=−l l conductivité thermique du matériau watt par mètre-kelvin (W·m-1·K-1) dT dx dT dx =gradT Systèmes & Procédés- SPCL conduction thermique 10 < métaux < 500 0,005 < matériaux < 2 0,01 < liquides < 1 0,001 < gaz < 0,1 Systèmes & Procédés- SPCL conduction thermique conductivité thermique du tapis conductivité thermique du plancher 10 X Systèmes & Procédés- SPCL conduction thermique Résistance thermique Rth= Kelvin par Watt (K·W-1) (°C·W-1) T 1 −T 2 F Systèmes & Procédés- SPCL conduction thermique Paroi plane Rth= Rth= e lS T 1 −T 2 F Systèmes & Procédés- SPCL conduction thermique Analogie électrique Systèmes & Procédés- SPCL conduction thermique Surface plane en série Les résistances thermiques s'additionnent
