Transfert thermique

Différents modes de transferts thermiques

Il existe trois modes de transfert thermique :

• Le transfert thermique par conduction se fait de proche en proche. Il n’y a pas de déplacement de matière. C’est le seul mode de transfert dans les solides.

  Exemple 1 : Une barre métallique chauffée par une flamme

• Le transfert thermique par convection se fait par des mouvements de matière (courant de convection) au sein d’un fluide (gaz ou liquide). Exemple 2 : Un vêtement limite les courants de convection.

• Tout corps émet un rayonnement électromagnétique dont les caractéristiques dépendent de sa température. Ce rayonnement se propage même dans le vide.

  Exemple 3 : La chaleur des braises se propage par rayonnement. La moitié de la chaleur dissipée par le corps humain l’est par rayonnement.

Modes de transfert thermique

Le flux thermique

Un transfert thermique peut se faire plus ou moins rapidement. Le flux thermique permet d’estimer la vitesse à laquelle l’énergie est échangée :

$${\varphi }_{moy}=\frac{Q}{\Delta t}$$

• ${\varphi }_{moy}$ : Flux thermique en Watt (W)
• Q : Energie échangée sous forme de chaleur en Joules (J)
• Δt : Durée du transfert thermique en secondes (s)

Remarque

Comme $Q$, le signe de ${\varphi }_{moy}$ dépend du sens du transfert thermique. Il est positif lorsque le système reçoit de l'énergie et négatif lorsqu’il en perd.

Transfert thermique conductif et conducto-convectif

Conductivité thermique

La conductivité thermique d’un matériau, notée $\lambda$, caractérise le transfert thermique par conduction qui s’effectue dans le sens des températures décroissantes. Son unité est le $W.m^{-1}.K^{-1}$.

Résistance thermique

La résistance thermique d’une paroi est un indicateur de sa capacité à empêcher le passage de la chaleur. Plus la résistance thermique d’une paroi est élevée, moins elle est perméable à la chaleur et plus elle est efficace pour maintenir une température constante à l’intérieur d’un bâtiment par exemple.

Elle est définie par la relation suivante :

$$R_{th}=\frac{e}{\lambda .S}$$

• $R_{th}$ : Résistance thermique de la paroi en $K.W^{-1}$
• $e$ : Epaisseur du matériau en mètre (m)
• $\lambda$ : Conductivité thermique du matériau en $W.m^{-1}.K^{-1}$
• $S$ : Aire de la surface d’échange en $m^2$

Remarque

La résistance thermique de plusieurs parois accolées est la somme des résistances thermiques de chaque paroi.

Flux thermique conducto-convectif

Lorsque le matériau solide (ex : mur) est en contact avec un fluide (ex : air), il apparaît un phénomène de convection au voisinage de la surface du solide. Le transfert thermique par conduction à travers la paroi solide est alors associé à un transfert thermique par convection entre la surface du solide et le fluide.

Cet échange conducto-convectif est décrit par la loi phénoménologique de Newton :

$$\varphi =h\times S\times ({\theta }_2-{\theta }_1)$$

• $\varphi$ : Flux thermique conducto-convectif ($W$)
• $h$ : Coefficient d’échange thermique surfacique en $W.m^{-2}.K^{-1}$
• ${\theta }_1$ et ${\theta }_2$ : Températures de part et d’autre de la paroi en $K$

Le flux thermique est d'autant plus important que le coefficient d’échange thermique surfacique $h$ est grand, que la surface d'échange $S$ est grande, et que la différence de température entre les deux côtés de la paroi est élevée.

On peut également exprimer le flux thermique en fonction de la résistance thermique $R_{th}$ :

$$\varphi =\frac{{\theta }_2-{\theta }_1}{R_{th}}$$

• $\varphi$ : Flux thermique conducto-convectif ($W$)
• $R_{th}=\frac{1}{h\cdot S}$ : Résistance thermique $K.W^{-1}$
• ${\theta }_1$ et ${\theta }_2$ : Températures de part et d’autre de la paroi en $K$