Cours Transfert Thermique: Principes & Applications

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Université Moulay Ismaïl
Faculté des Sciences – Meknès
Département de Physique
Option : Energétique
Filière : SMP 6
COURS
TRANSFERTS THERMIQUES
Pr. D. OULDHADDA
2019/2020

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Chapitre 1
Généralités sur les échanges thermiques
1.1 Introduction
 La thermodynamique permet de prévoir la quantité totale d’énergie qu’un
système doit échanger avec l’extérieur.
 Le transfert de chaleur se fait entre points d’un milieu matériel où règnent des
températures différentes : la différence de température est la force motrice du
transfert de chaleur.
 La thermique décrit quantitativement dans l’espace et dans le temps l’évolution
des grandeurs caractéristiques en particulier la température T(M,t) et le flux
thermique (M,t) entre l’état initial et l’état d’équilibre final du système.
1.2 Grandeurs physiques fondamentales
1.2.1 Température T
 C’est une grandeur physique qui décrit l’état thermique d’un corps.
 C’est la manifestation mesurable de la chaleur stockée.
 La température est liée à la moyenne de l’énergie cinétique due au mouvement
des atomes et des molécules du corps.
 L’unité légale (S.I) : le Kelvin [K]
1.2.2 Champ de température
 La température est une fonction scalaire T(x,y,z,t) des coordonnées du repère
d’espace-temps.
 Nous distinguerons deux cas :
 Champ de température indépendant du temps : le régime est dit permanent ou
stationnaire.
 Évolution du champ de température avec le temps : le régime est dit variable ou
transitoire.
1.2.3 Notion de chaleur Q
 La chaleur est un processus de transfert d’énergie sous forme de chaleur.
 Un corps ne contient pas de chaleur, il en cède ou en reçoit.
 La chaleur se propage spontanément du corps ayant la température la plus
élevée vers celui ayant la température la plus basse : ceci constitue le second
principe de la thermodynamique.

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 La chaleur Q s’exprime en Joules (J).
1.2.4 Flux thermique total 
 Le flux thermique total  représente la quantité d‘énergie transférée sous forme
de chaleur par unité de temps.
 (W) (1.1)
 C’est donc une puissance, qui s’exprime en Watt (J/s).
1.2.5 Densité de flux de chaleur 
 La densité de flux de chaleur  représente le flux de chaleur total rapporté à
l’unité de surface :
 (W/m2) (1.2)
1.2.6 Capacité thermique massique C
 La capacité thermique massique C (J.kg-1.K-1) est la quantité de chaleur
nécessaire qu’il faut appliquer à 1kg de matière pour élever sa température de
1K.
 Lorsqu’on apporte une quantité de chaleur Q à un corps de masse m et de
capacité C, il subit une élévation de température ΔT :
Q = m C ΔT [J] (1.3)
1.2.6 Chaleur latente de changement de phase L
 On parle de chaleur latente lorsque le corps qui reçoit ou cède de la chaleur
l’utilise pour un changement d’état, sans que sa température ne varie :
Q = m L [J] (1.4)
 L est la chaleur latente changement de phase en [J/kg].
1.3 Différents modes de transferts thermiques
Il existe trois modes de transfert de chaleur dont chacun se fait selon un
mécanisme bien déterminé :
 La conduction : transfert de chaleur survenant dans un milieu matériel (Fluide ou
Solide) sous l’effet d’un gradient de température ;
 La convection : transfert de chaleur survenant dans un fluide en mouvement
sous l’effet d’un gradient de température ;

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 Le rayonnement : transfert de chaleur induit par l’échange d’ondes
électromagnétiques entre un corps émetteur et un corps récepteur.
 Exemple des trois modes de transfert de chaleur.
Conduction à travers Convection d’une surface Rayonnement entre
une paroi solide à un fluide en mouvement deux surfaces
Fig. 1.1 : Les trois modes de transfert de chaleur
1.3.1 Conduction thermique  loi de Fourier
 Le transfert de chaleur par conduction, qui ne nécessite pas de mouvement
macroscopique de la matière, résulte d’un échange d’énergie entre les particules
les plus énergétiques et les moins énergétiques,
 Dans les solides, le transfert de chaleur est causé par Les vibrations des réseaux
cristallins (solides non-conducteurs) et déplacement d'électrons libres (métaux
conducteurs).
Exemple : Une barre métallique chauffée à l’extrémité à gauche se réchauffe peu à
peu sur toute la longueur jusqu’à l’extrémité à droite.
Fig. 1.2 : Exemple de transfert de chaleur par conduction

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 Dans les fluides (liquide ou gaz), le transfert de chaleur est relié aux échanges
d’énergie dû au mouvement aléatoire des molécules (agitation moléculaire ou
chocs intermoléculaires).
Exemple : Mouvement aléatoire des molécules
 Loi de Fourier
 Ce mécanisme de transfert est régi par une loi établie par Joseph Fourier en
1822 : la densité de flux est proportionnelle au gradient de température :
 en W/m2 (1.5)
: vecteur densité de flux en W/m2,
λ : conductivité thermique en W/(m.K),
 : gradient de température en K/m.
 Le signe ’’’’ traduit le fait que le flux de chaleur circule des zones chaudes vers
les zones froides (dans le sens opposé au gradient de température).
 Gradient de température 
 À l’intérieur d’un corps homogène, on peut définir à chaque instant t des
surfaces isothermes caractérisées par : T(x,y,z,t)=cste.
 Le gradient thermique et le vecteur densité du flux  sont perpendiculaires aux
surfaces isothermes
 (1.6)