Transferts de chaleur et de masse : Conduction, Convection, Rayonnement

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Transferts de chaleur et de masse
O. Boiron & D. Mazzoni

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Sommaire
Introduction
Conduction
Convection
Rayonnement
Transferts de masse

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Introduction
Tout système physique est caractérisé, par la donnée de grandeurs
extensives et intensives, ou fonctions d’état, permettant de décrire son
état à un instant donné .
Les transferts de chaleur et de masse s’intéressent plus
particulièrement aux modalités d’évolution dans un ou plusieurs
systèmes en interaction des variables d’état suivantes: la masse ρ(x,t),
la température et la pression T(x,t), p(x,t), la concentration c(x,t),
l’enthalpie h(x,t).
Les systèmes physiques considérés ici sont constitués de au moins deux
sous systèmes en interaction permanente:
–Un système matériel, au sens habituel de la MMC, c’est àdire un milieu
constitué d’atomes, d’ ions, de molécules et de particules en grand nombre.
–Un champ de rayonnement électromagnétique

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Introduction
Al’équilibre thermodynamique les atomes et molécules qui constituent
un système sont caractérisés par une distribution énergétique qui
relève de la physique statistique.
Par exemple pour un gaz parfait la loi de Maxwell-Boltzmann.
Soit un système de N particules pouvant occuper les états d’énergie Ei
le nombre de particules Nioccupant l’état Eiest donné par:
i
B
j
B
E
kT
i
iE
kT
j
j
ge
NN
ge
−
−
=
∑
Cette notion d’équilibre permet de conférer àun tel système une
température unique macroscopique et plus généralement de définir des
grandeurs intensives qui caractérisent l’état du système (pression, etc).
kB=1.38 10-23 J/K constante
de Boltzmann
gidégénérescence de Ei
T est la température de ce
système de N particules

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Introduction
Lorsque l’on s’écarte notablement de l’équilibre thermodynamique la
notion même de certaines grandeurs intensives, comme la température
par exemple, peut être remise en question.
Il est d’usage pour les systèmes macroscopiques en évolution
thermodynamique de considérer un état d’équilibre thermodynamique
local (ou ETL) dans lequel les écarts à l’équilibre sont suffisamment
faibles pour que l’on puisse considérer que chaque point matériel d’un
système est en équilibre avec son voisinage.
Un cas classique d’un système hors d’ETL est le laser (à solide ou àgaz)
dans lequel on cherche justement à obtenir une inversion de population
c’est-à-dire à placer les atomes ou les molécules du milieu actif dans des
états énergétiques électroniques ou vibrationnels hors de la statistique
de Maxwell-Boltzmann.