thermique

THERMIQUE
La thermique est la branche de la physique qui traite des échanges de chaleur accompagnés ou non d’échange de masse
et de changement de phases. Elle peut donc être considérée comme partie intégrante de la thermodynamique des
phénomènes irréversibles puisque, pour avoir l’échange de chaleur entre différentes parties d’un système, il est
nécessaire que ce système soit en dehors de l’équilibre thermodynamique [cf. THERMODYNAMIQUE].
Il a fallu longtemps pour que l’on puisse distinguer entre les divers types d’échanges de chaleur et les classer en
rayonnement, conduction, convection naturelle et convection forcée. D’ailleurs ne parle-t-on pas encore de «radiateurs» de
chauffage central ou d’automobile, bien qu’une partie importante du flux de chaleur soit transmise à l’atmosphère par
convection naturelle dans le premier cas et par convection forcée dans le second?
Le phénomène de la conduction de la chaleur existe dans tous les corps, solides ou fluides, bien que, pour ces
derniers, le transfert d’enthalpie dû à la présence d’un écoulement ait tendance à masquer le phénomène de conduction.
Celui-ci se traduit par une élévation de température de proche en proche qui, pour les solides, correspond à un
accroissement de l’énergie de vibration du réseau cristallin et, pour les fluides, à une transmission d’énergie cinétique
opérée par les chocs entre les molécules. C’est à J. Fourier (1822) que l’on doit la théorie analytique de la conduction de
la chaleur qui a amené, en dehors des applications physiques, à des progrès en analyse mathématique (cf. équations aux
DÉRIVÉES PARTIELLES, SÉRIES TRIGONOMÉTRIQUES).
Dans les fluides, l’existence d’un champ de températures non uniforme modifie localement la masse volumique de ces
fluides et entraîne, dans un champ de forces volumiques (pesanteur, force centrifuge), des mouvements dits de convection
naturelle. Ces mouvements ont été étudiés pour la première fois par H. J. E. Bénard (1901) entre deux plaques
horizontales à températures différentes. Ils existent également dans des couches limites au voisinage de corps chauffés
ou refroidis et impliquent un transport de chaleur plus important que la simple conduction.
Si le fluide caloporteur est entraîné artificiellement, le flux de chaleur, dit de convection forcée, augmentera avec la
vitesse de ce fluide, et les gradients de température seront plus élevés dans une couche limite thermique analogue à la
couche limite dynamique introduite par L. Prandtl. Si la vitesse d’entraînement n’est pas très élevée, les deux processus
de convection naturelle et de convection forcée peuvent coexister: c’est la convection mixte.
Le rayonnement thermique est connu depuis la plus haute antiquité, dès que les hommes ont remarqué la possibilité de
rôtir les viandes sans les enfumer en les disposant devant les braises incandescentes, dans le courant d’air froid, au lieu
de les placer au-dessus de celles-ci, dans le courant d’air chaud; c’est également le rayonnement des parois portées à
haute température qui assure la cuisson du pain dans le four.
Par contre, les lois scientifiques du rayonnement ne se sont dégagées que très tardivement: si l’on met à part la loi
«géométrique» de Lambert, donnant la distribution dans l’espace de l’énergie du rayonnement thermique d’un élément de
surface, qui remonte à 1760 et qui semble avoir été pressentie (sinon explicitement formulée) par Kepler dès le début du
XVIIe siècle, toutes les lois du rayonnement thermique ont été découvertes à partir de la fin du XIX e siècle. En 1879,
J. Stefan découvre expérimentalement que l’énergie totale émise par un élément de surface est proportionnelle à la
quatrième puissance de sa température; cinq ans plus tard, L. Boltzmann en donne l’explication théorique; l’analyse
spectrale du rayonnement thermique ne commence que vers 1895, époque où J. W. Rayleigh et W. Wien établissent des
formules plus ou moins empiriques donnant une répartition de l’énergie émise en fonction de la longueur d’onde et de la
température; à la même époque, G. R. Kirchhoff énonce une loi établissant une relation entre la puissance émise par un
corps dans une longueur d’onde particulière et l’absorption de ce corps pour la même longueur d’onde, caractérisant ainsi
une qualité de rayonnement des corps par rapport au corps noir totalement absorbant et totalement émetteur.
À ce stade, toutes les manifestations extérieures du rayonnement thermique étaient ainsi assez bien connues, mais le
mécanisme physique de ce rayonnement restait presque totalement ignoré. Le mérite revient à M. Planck d’avoir ouvert la
voie à une compréhension approfondie non seulement du rayonnement thermique, mais de bien d’autres phénomènes
physiques: c’est en effet pour rendre compte de l’existence d’un maximum dans la répartition spectrale de l’énergie
rayonnée que Planck a été amené à supposer des échanges énergétiques discontinus, inaugurant ainsi les fructueuses
théories quantiques et la physique corpusculaire, sans laquelle les mécanismes du rayonnement thermique ne pourraient
être compris (cf. mécanique QUANTIQUE).
D’une manière générale, les applications de la thermique comprennent tous les procédés de transmission et d’utilisation
de la chaleur, à l’exception de ceux qui dérivent des lois de la thermodynamique et de la thermochimie reliant les
phénomènes calorifiques aux phénomènes mécaniques et chimiques.
1. Le rayonnement thermique
On entend par rayonnement non corpusculaire toute forme d’énergie susceptible de se transmettre à travers le vide; toutes
les ondes électromagnétiques, depuis les rayons g et cosmiques dont les longueurs d’onde sont inférieures au dixième de
micromètre jusqu’aux ondes radio pour lesquelles elles atteignent plusieurs kilomètres, constituent des rayonnements non
corpusculaires.
Mots Clefs: luminance , loi de Lambert, loi de Kirchhoff, lois du corps noir - formule de Planck, lois de Wien, loi de
Rayleigh-Jeans, loi de Stefan-Boltzmann-.
2. La conduction
Le processus de conduction de la chaleur s’effectue de proche en proche, la chaleur passant spontanément des corps les
plus chauds aux corps les plus froids, la température tendant alors à s’uniformiser lorsqu’il n’y a pas de source de chaleur
interne.
Mots Clefs: loi de Fourier, équation de conservation de l’énergie
3. La convection naturelle
La convection naturelle (ou libre) est le transport de chaleur dû à des mouvements de fluide provoqués par un champ de
pesanteur (ou de force centrifuge). On distingue entre convection naturelle interne, qui a lieu dans une enceinte fermée à
paroi non isotherme, et convection naturelle externe, qui se produit au voisinage des parois d’un corps dont la température
est différente de celle de l’ambiance.
4. La convection forcée
La convection forcée est un transport de chaleur effectué à la fois par conduction et par transport d’enthalpie dû à la
présence d’un écoulement autour de l’obstacle (plaque plane, cylindre, sphère, etc.) qui est à une température, pas
forcément uniforme, différente de celle de l’écoulement.
5. Applications
Les applications thermiques couvrent le champ presque entier des activités industrielles (production d’énergie, sidérurgie,
mécanique, électronique, génie chimique, bâtiment, alimentation), des plus traditionnelles aux plus modernes. Elles
s’étendent à l’agriculture, à l’élevage, à la biologie et à la médecine. Les vestiges de l’Antiquité portent le témoignage des
réalisations pratiques où production, accumulation et transfert de chaleur sont déjà mis en œuvre pour cuire les aliments,
chauffer les habitations et transformer la matière (outils et armes).
Foyers et chauffages
Foyers domestiques
Dans les foyers, la chaleur s’utilise directement par conduction («feu» de cuisson) et par rayonnement (four), la cuisson au
sein d’un liquide (eau bouillante) faisant intervenir dans le contenant des phénomènes de convection.
Chauffage domestique
Le chauffage domestique se fait par répartition de sources de chaleur isolées (cheminées, poêles et radiateurs) ou par
distribution de chaleur à partir d’une source unique (chaufferie du chauffage central). Si les sources localisées sont visibles
(feu, flamme de brûleur, incandescence des résistances électriques), le rayonnement prédomine; si les sources sont
enfermées dans une enceinte, le rayonnement reste important avec les grandes surfaces extérieures (poêle en faïence),
mais, avec des appareils de plus faibles dimensions, la convection naturelle (poêle en fonte, radiateur à circulation d’huile
ou à catalyse) et la convection forcée (radiateur soufflant) prédominent sur le rayonnement. Avec le chauffage central, la
distribution de chaleur s’effectue à l’aide d’un fluide caloporteur circulant dans des gaines (air) ou des tuyauteries (eau,
vapeur d’eau) par effet de thermosiphon (circulation naturelle par différences de densités) ou par un moyen mécanique
(respectivement: ventilateur ou pompe). Dans un cas, l’air chaud est distribué directement dans les pièces, dans l’autre, le
fluide caloporteur fournit la chaleur par convection à des éléments tubulaires en fonte ou en tôle qui constituent les
surfaces chauffantes statiques (radiateurs ou convecteurs) de chaque pièce. Les radiateurs cèdent la chaleur par
convection naturelle, les convecteurs, nichés dans les murs et munis d’ailettes, cèdent cette chaleur par convection forcée.
La distribution peut s’effectuer par panneaux rayonnants (tuyauteries noyées dans les murs, le plafond ou le sol). Le
chauffage par le plafond est activé par convection, à l’aide d’un ventilateur assurant une circulation d’air.
Chauffages collectifs
Le mode de chauffage collectif diffère selon les dimensions et l’occupation, permanente ou temporaire, des locaux. Le
chauffage central fait appel à des batteries de chaudières (îlots d’habitations) ou au chauffage urbain (quartiers ou villes).
Des pompes assurent la circulation du fluide caloporteur (eau surchauffée ou vapeur d’eau), les canalisations étant
calorifugées, ce qui réduit les déperditions entre la centrale thermique et le quartier de la ville. Le chauffage à air chaud
pulsé (aérothermes) convient pour un usage intermittent (ateliers); les panneaux rayonnants s’adaptent aux locaux de
grandes dimensions à condition d’organiser une circulation d’air évitant l’accumulation de chaleur dans les parties hautes
inoccupées. Les rampes à rayonnement infrarouge s’installent dans les espaces aérés (marchés, halls de gares) ou dans
de vastes édifices (églises). L’énergie géothermique sert au chauffage de Reykjavik (Islande), l’eau chaude (de 87 à 110
0C) arrivant par pipe-lines de 30
kilomètres de distance. L’énergie solaire est utilisée au chauffage de l’eau
par accumulation, au Japon par exemple.
Isolation thermique
Les surfaces externes d’un système thermique échangent de la chaleur avec l’environnement; l’isolation thermique
consiste à munir ces surfaces d’un revêtement statique mauvais conducteur de la chaleur. Il se crée alors entre les deux
faces de l’isolant un fort gradient de température dont le sens est fixé par celui de l’écoulement de la fuite. Il en résulte, en
particulier, une diminution de température de la nouvelle surface externe de l’installation, dans le cas d’une source, et une
augmentation de cette même température, dans le cas d’un puits. L’écart de température DT (cf.
tableau) se trouve
diminué, ce qui a pour effet de réduire la fuite thermique. L’isolation thermique peut être recherchée pour la protection
contre les excès de températures très élevées ou très basses. L’isolation thermique peut être permanente (fils et câbles
d’une installation électrique, fours et armoires frigorifiques) ou temporaire (vêtements de pompiers, gants de manutention,
boîtes de transport de glaces et sorbets).
Les isolants sont appelés calorifuges. Il existe quatre grandes catégories d’isolants, selon la répartition de la matière:
granulaire (sable), fibreuse (laine de verre, d’amiante, de graphite) ou cellulaire (résines synthétiques expansées, plâtres),
ou bien selon la structure en fines feuilles réfléchissantes (alfol). Les qualités d’isolation pour les trois premières catégories
sont dues à leur porosité (fibres superfines, poudres, résines expansées); elles peuvent atteindre l’isolation de l’air lorsque
les pores sont fermés. Les progrès considérables dans la fabrication de matériaux isolants ont transformé profondément
toutes les techniques de l’habillement, de l’habitat, de la construction et des moyens de transport.