Ce qui suit est une brève présentation de certains concepts fondamentaux du transfert de chaleur. To learn more, the reader is encouraged to review the source publications and cited websites
Introduction à la thermodynamique
1re et 2e lois de la thermodynamique
La 1re loi de la thermodynamique concerne la conservation de l'énergie. Elle stipule que, dans un système fermé où aucune autre matière énergétique ne peut entrer ou sortir, l'énergie ne peut être ni créée ni détruite.1,2 Bien que l'énergie ne puisse être ni créée ni détruite, elle peut être transférée pour fonctionner comme d'autres formes d'énergie.
Le transfert de l'énergie thermique est soumis à la 2e loi de la thermodynamique.3 La 2e loi (qui s'applique encore une fois à un système fermé) stipule que, pour un processus spontané, il y a une augmentation nette de l'entropie4 (c'est-à-dire une mesure du désordre qui existe dans un système5).
Voici trois façons alternatives, mais équivalentes, de décrire la 2e loi :
La chaleur se déplace spontanément d'un corps chaud vers un corps froid. Exemple : un microprocesseur ou une diode laser chauds sont refroidis par le transfert du flux de chaleur vers un dissipateur thermique ou une plaque de refroidissement.
Il est impossible de convertir complètement la chaleur en travail utile. Exemple : dans un moteur à combustion, un certain composant thermique doit toujours être épuisé sans fournir de travail.
Tout système isolé devient désordonné avec le temps. (Exemple : dans la conduction, lorsque des corps chauds et froids entrent en contact pour la première fois, le système est quelque peu ordonné. Les molécules chaudes se déplacent plus rapidement que les molécules froides. Mais, une fois que le système entier atteint une température uniforme, cet ordre est perdu.
Exprimée en termes mathématiques, chacune des affirmations ci-dessus implique les deux autres.6
Les 1re et 2e lois de la thermodynamique régissent les différents modes de transfert de chaleur : conduction, convection et rayonnement.
Les modes de transfert de chaleur
Conduction
Dans la conduction, la chaleur circule d'une zone à température élevée vers des zones à température plus basse. Ce phénomène se produit à l'intérieur de milieux solides, liquides ou gazeux ou entre différents milieux qui sont en contact physique direct les uns avec les autres. 7 « Le transfert de l'énergie de mouvement entre des molécules adjacentes conduit la chaleur. Dans un gaz, les molécules les plus "chaudes" ont une énergie et des mouvements plus importants et transmettent de l'énergie aux molécules adjacentes à des niveaux d'énergie inférieurs. Ce type de transfert se produit dans une certaine mesure dans tous les solides, gaz ou liquides dans lesquels il existe un gradient de température. Dans la conduction, l'énergie peut également être transférée par des électrons "libres", ce qui est important dans les solides métalliques ».8 Le transfert de chaleur à travers les surfaces d'une plaque froide ou à travers les parois d'un réfrigérateur est un exemple de conduction.
Convection
In convection, the combined action of heat conduction, energy storage, and mixing motion serve to transport energy. "Convection is most important as the mechanism of energy transfer between a solid surface and a liquid or a gas."9 “In forced-convection heat transfer, a pump, fan, or other mechanism forces a fluid to flow past a solid surface. Dans la convection naturelle ou libre, un fluide plus chaud ou plus froid situé à côté de la surface solide provoque une circulation en raison des différences de densité résultant des différences de température du fluide. »10 Un exemple de convection libre est la perte de chaleur dans l'air ambiant via les ailettes d'un échangeur de chaleur. Lorsqu'un ventilateur est utilisé pour faire circuler l'air sur les ailettes de l'échangeur de chaleur, il s'agit de convection forcée.
Rayonnement
Dans le cas du rayonnement, la chaleur circule d'un corps à température élevée vers un corps à température plus basse lorsque les corps sont séparés dans l'espace, même dans le vide.11 « Les mêmes lois qui régissent le transfert de la lumière, régissent également le transfert de la chaleur. Les solides et les liquides ont tendance à absorber le rayonnement qui est transféré à travers eux, c'est pourquoi le rayonnement est important principalement dans le transfert à travers l'espace ou les gaz. »12
Comme exemples de rayonnement, on peut citer le transfert de chaleur du soleil vers la terre et d'une lampe à quartz vers un objet froid qui doit être réchauffé.
Représentation mathématique et calcul du transfert de chaleur
L'équation de Fourier
« La relation de base pour le transfert de chaleur par conduction, proposée par le scientifique français J.B.J. Fourier en 1822, est la suivante :
Le débit du flux de chaleur par conduction dans un matériau, qk , est égal au produit des trois quantités suivantes :
- k - Conductivité thermique du matériau
- A - Aire de la section à travers laquelle la chaleur circule par conduction, mesurée perpendiculairement à la direction du flux thermique
- dT/dx - Gradient de température au niveau de la section, c'est-à-dire le taux de variation de la température T par rapport à la différence de direction du flux thermique x
L'écriture de l'équation de conduction thermique sous forme mathématique nécessite une convention de signe ; c'est-à-dire que la direction de la distance croissante x est la direction du flux de chaleur positif. Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoulera automatiquement des points de température supérieure vers les points de température inférieure. Ainsi, le flux de chaleur sera positif lorsque le gradient de température sera négatif. L'équation de base de la conduction unidimensionnelle en régime permanent est : qk = -kA (dT/dx) »13.
Conductivité thermique
La conductivité thermique est une mesure de la vitesse à laquelle un matériau donné transfère la chaleur.14 « La conductivité thermique d'une substance est la quantité de chaleur en cal/sec passant à travers un corps de 1 cm d'épaisseur avec une section transversale de 1 cm carrés lorsque la différence de température entre les côtés chaud et froid du corps est de 1 degré C. » 15 Cette propriété intrinsèque est indépendante de la taille, de la forme ou de l'orientation des matériaux.
Résistance thermique
À l'inverse de la conductivité thermique, la résistance thermique indique la manière dont un matériau empêche la conduction de la chaleur.16 Les matériaux ayant une conductivité thermique élevée ont une faible résistance thermique et ont de mauvaises qualités d'isolation thermique (par exemple, le cuivre et l'aluminium). Inversement, les matériaux à faible conductivité thermique ont une résistance thermique élevée et de bonnes qualités d'isolation thermique (par exemple, l'isolation en fibre de verre et les panneaux de liège).17
Références
1. https://www.chemistry.ohio-state.edu/~woodward/ch121/ch5_law.html.
2. https://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node78.html.
3. ibid.
4. http://learn.chem.vt.edu/tutorials/entropy/2ndlaw.html.
5. Microsoft Encarta World English Dictionary, St. Martin's Press, 1999, page 596.
6. de Sorgo, Miksa, ibid.
7. de Sorgo, Miksa, « Understanding Phase Change Materials », ElectronicsCooling Magazine, mai. 2002
8. http://learn.chem.vt.edu/tutorials/entropy/2ndlaw.html.
9. Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., chapitre 1, page 6.
10. Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, chapitre 4, page 215.
11. Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., page 8.
12. Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, chapitre 4, page 216.
13. Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., page 7.
14. Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, chapitre 4, page 216.
15. Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., page 9.
16. Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, chapitre 4, page 216.
17. http://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node75.html.
18. http://www.lib.umich.edu/dentlib/dental_tables/thermcond.html.
19. http://www.xrefer.com/entry/619844.