THERMIQUE

Modes de transfert thermique

Conduction thermique

Un flux thermique () à l’intérieur d’un corps immobile est lié à l’existence d’un gradient thermique ( grad T), c’est-à-dire d’une différence de température (T) d’un point à l’autre. Fourier propose de relier ces deux grandeurs par une relation linéaire :

φcd=- k grad T.

Conductivités thermiques

Conductivités thermiques

Conductivités thermiques

Conductivités thermiques de quelques solides, liquides et gaz. Les valeurs sont données à 20 0C sauf…

La propriété physique k, caractéristique du milieu considéré, est appelée « conductivité thermique » ; elle varie de 0,025 W.m—1.K—1 pour les meilleurs isolants, à environ 400 W.m—1.K—1 pour les métaux les plus conducteurs comme le cuivre ou l’argent. La ressemblance formelle entre cette loi, et celle qui fut proposée par Ohm pour la densité de courant dans les milieux de conductivité électrique E :

j= -σE  grad V

ouvre la voie à de possibles analogies entre les transferts thermiques par conduction et l’électrocinétique. Ainsi, en régime stationnaire, les systèmes passifs peuvent être considérés comme des résistances thermiques disposées en série ou en parallèle dans des schémas électriques équivalents où la température joue le rôle de potentiel et le flux thermique celui d’intensité du courant.

En régime instationnaire, le bilan thermique appliqué à un domaine infinitésimal prend la forme de l’équation de propagation :

T- 1aTt= - pthk.

L’évolution de la température en chaque point du système considéré dépend donc de trois paramètres : la puissance volumique pth, la conductivité k et la diffusivité thermique a = k/ C, où est la masse volumique et C la capacité thermique massique du matériau. La diffusivité thermique varie dans la gamme 10—7m2s—1 (isolants massifs) — 10—4 m2s—1 (conducteurslégers).

Si le système considéré est passif, cette équation devient :

T 1aTt= 0.

Elle est souvent, par abus de langage, appelée « équation de la chaleur ». C’est en cherchant des solutions à cette équation que Fourier a inventé les fameuses séries qui portent son nom.

Convection libre et convection forcée

Entre un milieu immobile et un fluide en mouvement s’organise une zone d’échange de quantité de mouvement (frottement) et d’énergie appelée « couche limite ». Pour rendre compte globalement des échanges thermiques entre une paroi de température TP et un fluide de température TE à l’extérieur de la couche limite, on adopte souvent la loi linéaire proposée par Newton :

 φcv=hTp- TEN

N est le vecteur unitaire normal à la paroi, orienté de la paroi vers le fluide.

Le coefficient h est appelé « coefficient d’échange convectif ». Lorsque le mouvement du fluide s’organise naturellement par poussée d’Archimède (convection « libre »), son ordre de grandeur varie entre 5 et 103 W.m—2.K—1 ; s’il est piloté par une source extérieure (convection « forcée »), il se situe entre 10 et 105 W.m—2.K—1. Il est particulièrement élevé dans les évaporateurs et les condenseurs, et dans les dispositifs utilisant des métaux liquides (sodium et potassium) comme fluides caloporteurs.

Pour calculer ce coefficient, on a généralement recours à des relations de corrélation entre les nombres adimensionnels caractéristiques de la couche limite, qui sont déduits des principes de l’analyse dimensionnelle et des méthodes de similitude : nombres de Nusselt, de Reynolds, de Prandlt, de Rayleigh… La résolution des équations des couches limites thermiques et dynamiques (Navier-Stokes) par les méthodes numériques permet aujourd’hui de décrire beaucoup plus finement l’échange convectif, même dans les situations les plus complexes.

Rayonnement thermique

Tout ensemble d’éléments (atomes, molécules, électrons libres…) en mouvement d’agitation thermique perd naturellement de l’énergie par émission de rayonnement électromagnétique. La densité de ce flux radiatif (φémis) à la surface d’un système matériel est proportionnelle à la puissance quatrième de sa température TP, selon :

φémis= εσTP4N.

Le coefficient est la constante[...]

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Écrit par

  • Bruno CHÉRON : professeur des Universités, enseignant-chercheur, UMR 6614 CNRS-CORIA

Classification

. In Encyclopædia Universalis []. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Flux thermique

Flux thermique

Flux thermique

Ordre de grandeur de la densité de flux thermique.

Énergie thermique

Énergie thermique

Énergie thermique

Sources et puits d'énergie thermique.

Capacités calorifiques massives

Capacités calorifiques massives

Capacités calorifiques massives

Capacités thermiques massiques pour quelques solides, liquides et gaz. Les valeurs sont données à 20…

Autres références

  • ARCHITECTURE ÉCOLOGIQUE ou ARCHITECTURE DURABLE

    • Écrit par Dominique GAUZIN-MÜLLER
    • 5 100 mots
    ...méthode de management environnemental : Green Building Tool en Amérique du Nord, Breeam au Royaume-Uni, Dbca aux Pays-Bas, Klimaaktivhaus en Autriche. Les pays germaniques mettent l'accent sur l'efficacité énergétique à travers une réglementation thermique contraignante et des labels...
  • CALORIQUE

    • Écrit par Georges KAYAS
    • 376 mots

    Ancien nom de la chaleur considérée comme un fluide pondérable dérivant du feu platonicien. Passant à travers les parois des vases (à cause de l'acuité de ses arêtes et de ses sommets pointus), il provoquait, d'une part, la dilatation des corps (en s'insinuant entre leurs propres particules qu'il...

  • CHALEUR

    • Écrit par Paul GLANSDORFF
    • 985 mots

    La première tentative d'interprétation physique assimilait la chaleur à un fluide dit subtil et indestructible dénommé le calorique, répandu partout au sein de la matière. Son passage d'un corps à un autre était notamment responsable du refroidissement du premier et de l'échauffement du second....

  • CONDUCTIVITÉ ou CONDUCTIBILITÉ, physique

    • Écrit par Viorel SERGIESCO
    • 668 mots

    Grandeur physique caractérisant la propagation, dans un milieu matériel, d'un flux d'électrons (conductivité électrique), d'un flux de chaleur (conductivité thermique) ou d'une perturbation mécanique (conductivité acoustique). Les milieux dans lesquels la propagation est...

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Voir aussi