Modes de Transfert de Chaleur - Physique Chimie 1ère

La conduction thermique est le transfert de chaleur à travers un matériau sans déplacement macroscopique de matière. Elle résulte de l'agitation des particules (atomes, molécules) qui transmettent leur énergie cinétique aux particules voisines.

Elle se produit dans les solides, les liquides et les gaz, mais est particulièrement efficace dans les solides.

Où :

• φ : flux thermique (en W)
• λ : conductivité thermique du matériau (en W/m·K)
• S : surface de transfert (en m²)
• dT/dx : gradient de température (en K/m)

• 1 Cuillère dans une tasse chaude : chaleur se propage le long de la cuillère
• 2 Isolation thermique : matériaux à faible conductivité
• 3 Matériaux conducteurs : métaux dans les radiateurs

La convection thermique est le transfert de chaleur par le déplacement de matière (liquide ou gaz). Ce mode de transfert implique un mouvement de fluide causé par des différences de densité dues à des différences de température.

Elle ne peut se produire que dans les fluides (liquides et gaz).

• 1 Convection naturelle : due aux différences de densité (ex: air chaud qui monte)
• 2 Convection forcée : due à un agent extérieur (ventilateur, pompe)

Où h est le coefficient de transfert thermique convectif (en W/m²·K).

• 1 Chauffage central : circulation de l'eau chaude
• 2 Climatisation : ventilation de l'air
• 3 Courants océaniques : circulation des masses d'eau

Le rayonnement thermique est le transfert de chaleur par l'émission d'ondes électromagnétiques. Contrairement aux autres modes, il ne nécessite pas de support matériel et peut se produire dans le vide.

Tout corps porté à une température supérieure au zéro absolu émet un rayonnement thermique.

Où :

• σ : constante de Stefan-Boltzmann (5,67×10⁻⁸ W/m²·K⁴)
• ε : émissivité du corps (entre 0 et 1)
• S : surface émettrice (en m²)
• T : température absolue (en K)

• 1 Rayonnement solaire : chaleur reçue de la Terre
• 2 Barbecue : chaleur émise par les braises
• 3 Thermographie : détection de température à distance

• 1 Conduction : isolation thermique, échangeurs de chaleur
• 2 Convection : chauffage, climatisation, météo
• 3 Rayonnement : chauffage solaire, thermographie, astrophysique

• 1 Isolation : conduction réduite par matériaux isolants
• 2 Chauffage : convection dans les radiateurs
• 3 Cuisine : rayonnement dans les fours à micro-ondes

• 1 Échangeurs thermiques : combinaison de conduction et convection
• 2 Refroidissement : circulation de fluide dans les moteurs
• 3 Rayonnement industriel : chauffage des matériaux

• 1 Atmosphère : convection dans les masses d'air
• 2 Océans : courants thermohalins
• 3 Bilan énergétique : rayonnement solaire/terrestre

Le transfert de chaleur se fait à travers un matériau solide (mur) sans déplacement de matière. C'est donc un transfert par conduction thermique.

Loi de Fourier : φ = λ × S × (T_int - T_ext) / e

Le flux thermique est de 1,75 kW.

Formule : E = φ × t

Soit 42 kWh (car 1 kWh = 3,6 MJ).

• Utiliser un matériau avec une conductivité thermique plus faible (λ < 0,7 W/m·K)
• Augmenter l'épaisseur du mur (e > 20 cm)
• Installer une couche d'isolant thermique (laine de verre, polystyrène, etc.)

Loi de Stefan-Boltzmann : φ = σ × ε × S × (T_plaque⁴ - T_ambiante⁴)

Températures en Kelvin : T_plaque = 60 + 273 = 333 K, T_ambiante = 20 + 273 = 293 K

Le flux thermique rayonné est de 225 W.

La puissance rayonnée est égale au flux thermique rayonné, soit 225 W.

La plaque chauffe davantage en été qu'en hiver parce que :

• La température ambiante est plus élevée en été
• Le rayonnement solaire est plus intense
• La différence de température entre la plaque et l'extérieur est plus grande en été
• Le rayonnement émis par la plaque dépend de T⁴, donc augmente fortement avec la température

Graphique montrant la variation de température à travers l'épaisseur d'un mur en régime permanent.

Graphique montrant la relation quadratique entre flux thermique rayonné et température (T⁴).

• Conduction : transfert par contact sans déplacement de matière
• Convection : transfert par déplacement de fluide
• Rayonnement : transfert par ondes électromagnétiques

• Conduction : φ = λ × S × (dT/dx)
• Convection : φ = h × S × (T_surf - T_fluide)
• Rayonnement : φ = σ × ε × S × T⁴

• Isolation thermique des bâtiments
• Échangeurs thermiques industriels
• Chauffage et climatisation
• Étude des bilans énergétiques