mouvement, échange ou transfert thermique

RAPPEL du PRINCIPE de CONSERVATION de L’ÉNERGIE

Le 1° principe de thermodynamique donne le bilan énergétique d’un système échangeant des énergies (sans échange de matière envers l'extérieur)

ΔEc+ ΔEé+ ΔEp+ ΔEq + ΔW + ΔEf + ΔEh+ H = 0

chaque Δ représente la différence entre l’énergie présente à la fin et celle présente au début et les symboles des diverses énergies sont

Ec = énergie cinétique interne

Eé = énergie électromagnétique

Ep = énergie potentielle

Eq = énergie thermique (chaleur)

W = énergie mécanique (travail)

W est > 0 s’il s’agit d’une machine motrice recevant de l'extérieur et W < 0 pour une machine génératrice fournissant à l’extérieur

Ef = énergie de frottement

Eh = énergie chimique

H = énergie enthalpique (ou enthalpie) qui est dépensée aux changements d’état de la matière (fusion, évaporation, etc) où est inclus aussi le travail dit de transvasement (transport de matière)

En rappelant que l'énergie interne globale est

ΔU = (ΔEc+ ΔEé+ ΔEp+ Ef + Eh+ H).

 

MOUVEMENTS, ÉCHANGES, CIRCULATIONS et TRANSFERTS (de CHALEUR)

Les énergies ci-dessus, dans leurs échanges, brassent surtout de la chaleur, ce qui se fait essentiellement de 3 façons :

1.les Rayonnements sans transport de matière, grâce aux photons, qui traversent rapidement un milieu et atteignent un autre corps pour lui faire absorber leur énergie (exemple la peau qui se réchauffe par les rayons infrarouges du soleil , même s'il fait froid)

2.la Conduction sans transfert de matière -entre 2 points appartenant ou non au même corps- grâce à des molécules qui voyagent lentement en agitant une partie de leur énergie cinétique et qui, par chocs sur les objets rencontrés, la laissent sous forme de chaleur

(exemple la peau qui se réchauffe en la trempant dans un liquide stablement chaud)

3.la Convection par transfert -entre 2 points appartenant ou non au même corps- de petits éléments de matière qui -ayant déjà acquis de l'énergie par échauffement- s'éloignent les uns des autres en se mélangeant avec le voisinage (exemple la peau qui se réchauffe dans un mouvement d'air chaud)

Pour tous les phénomènes thermiques, on utilise les notions communes ci-après

 

ENERGIE THERMIQUE (calorifique)

Rappelons qu'elle prend des noms particuliers et qu'elle est en relation avec la température :

-énergie de rayonnement (par traversement)

Eq= Kr .S.t.T4

Et(J)= énergie thermique rayonnée pendant le temps t(s)

Kr(W/m²-K4)= constante de rayonnement (5,6704004.10-8 W/m².K4 )

S(m²) surface de la source dont la température absolue est T(K)

-énergie de conduction (par contact)

ΔEq= Cv.ΔT

ΔEq(J)= variation de quantité de chaleur pour une variation de température ΔT(K)

Cv(J/K)= capacité thermique à volume constant

-énergie de convection (par mélange) :

ΔEq= S.ΔT.δ’ / t

δ’(kg/s-K)= coefficient de convection

ΔEq(J)= énergie transportée par convection (quantité de chaleur)

S(m²) = surface

ΔT(K)= variation de température, pendant le temps t(s)

 

COEFFICIENT DE TRANSFERT

(symbole κ’ , dimension M.T - 3.Θ- 1) qui est nommé aussi :

coefficient de chaleur ou coef.de transmission surfacique

κ’=  ΔP / S.ΔT

κ’(W/m²-K)= coefficient de transfert

S(m²)= aire de la surface de transmission

ΔT(K)= différence de température entre points du matériau

ΔP(W)= variation de puissance calorifique sur la distance de transfert

 

ECHANGE avec le MILIEU AMBIANT

Notion physiologique, plus connue sous le nom de vitesse de refroidissementun échange -ou transfert- thermique est une perte d’énergie calorifique par unité de temps

Eq= T.t.S.κ’

avec Eq(J)= énergie calorifique échangée entre un corps vivant et le milieu où il évolue

t(s)= temps de l’échange

T(K)= température de discontinuité sur l’interface

S(m²)= surface d’échange

κ’(W/m²-K)= coefficient de transfert thermique du milieu

 

TRANSVASEMENT

Quand un système échange de la matière avec son voisinage, il y a transvasement. En particulier pour les gaz, et il y a travail dans cet échange

Le travail de transvasement est W = p2.V2 – p1.V1 >> p sont les pressions (Pa) et V(m3) les volumes, indice 1 pour l'entrée et l'indice 2 pour la sortie

 

EVOLUTION du TRANSFERT de CHALEUR

-le nombre de Biot (ou coefficient de Biot) est un nombre sans dimension, exprimant l'évolution du transfert de chaleur d'un matériau entre sa surface et son intérieur

yBi = κ'.lc / c*

où yBi (--)= nombre de Biot

c*(W/m-K)= conductibilité thermique

lc(m)= longueur caractéristique

κ'(W/m²-K)= coefficient de transfert thermique

-la déperdition de chaleur

La déperdition est l'ensemble de la chaleur perdue par l'enveloppe d'un corps qui laisse passer (par convexion, conduction ou rayonnement) une part de son énergie interne vers le milieu extérieur

On la mesure avec un pourcentage de déperdition (rapport entre la puissance calorifique dissipée par l'enveloppe / puissance présente à l'intérieur du corps) 

Cas pratique d'un bâtiment d'habitation : les pourcentages de déperdition dépendent des caractéristiques des composants du bâtiment.

Les valeurs moyennes en France, pour ces pourcentages sont :

-construction non isolée : toiture(26%), mouvements d'air avec l'extérieur(23%), murs(23%), huisseries(12%), planchers(8%), liaisons internes, dites ponts thermiques (8%)

-construction isolée selon les normes françaises: toiture(10%), mouvements d'air avec l'extérieur(15%), murs(20%), huisseries(15%), planchers(20%), liaisons internes, dites ponts thermiques (20%)

 

COURANT THERMIQUE

Synonyme de puissance thermique ou flux thermique

En cas de rayonnement reçu, on le nomme réceptivité

Equation aux dimensions structurelles :L2.M.T-3      Symbole : Pt     

Unité S.I.+ : Watt et en outre une unité d’usage : la cal/s qui vaut 4,185 Watt

Un courant thermique Pt est un courant d'énergie thermique, donc une puissance

Attention: -ici un courant thermique Pt est un courant d'énergie (thermique) donc une puissance

Par contre un débit (ou courant) de charge thermique (cette dernière de dimension ????) est l'équivalent -en Thermique- de l'intensité (électrique) et du courant massique (en gravitation).C'est ?????.T-1 

 

-loi d'ohm en thermique

Identique à la loi d'Ohm en électricité (qui est P = R.i²) elle s'exprime ainsi, pour la chaleur :

Pt = Q*.ΔT

avec Pt(W )= courant thermique (puissance) développé entre 2 points

Q*(W/K)= résistance thermique entre lesdits points

ΔT(K)= variation de température entre les 2 points