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Mécanique appliquée (3 ème Année Ingénieur Automatique) Dr.S.Bensaada 1 S.BENSA

Mécanique appliquée (3 ème Année Ingénieur Automatique) Dr.S.Bensaada 1 S.BENSAADA M E C A N I Q U E A P P L I Q U E E P A R T I E II P H E N O M E N E S D E T R A N S P O R T Mécanique appliquée (3 ème Année Ingénieur Automatique) Dr.S.Bensaada 2 11. MODES DE CONDUCTION 11.1. Généralités Les multiples procédés utilisés dans l'industrie sont très souvent le siège d'échanges de chaleur, soit parce que c'est le but recherché (fours, coulée, échangeurs, thermoformage, induction, lits fluidisés, trempe, refroidissement), soit parce que ceux-ci interviennent d'une manière inévitable (chocs thermiques, pertes de chaleurs, rayonnement). Des connaissances de base en ce domaine sont donc nécessaires à l'ingénieur de production ou de développement pour : - comprendre les phénomènes physiques qu'il observe - maîtriser les procédés et donc la qualité des produits. Le deuxième principe de la thermodynamique admet que la chaleur (ou énergie thermique) ne peut passer que d'un corps chaud vers un corps froid, c'est-à-dire d'un corps à température donnée vers un autre à température plus basse, donc Un transfert de chaleur qu'il convient d'appeler transfert thermique ou transfert par chaleur est un transit d'énergie sous forme microscopie désordonnée. Deux corps ayant la même température sont dits en « équilibre thermique ». Si leur température est différente, le corps le plus chaud cède de l'énergie au corps le plus froid : il y a transfert thermique, ou par chaleur. L'étude des transferts thermiques complète l'étude de la thermodynamique en décrivant la manière dont s'opère le transfert d'énergie. À la différence de le thermodynamique, la thermocinétique fournit des informations sur le mode de transfert en situation de non équilibre ainsi que sur les valeurs de flux de chaleur. La thermodynamique établit les conditions de cette transmission de chaleur et détermine les conséquences qui en résultent, mais elle ne se préoccupe pas de la vitesse de cette transmission. En thermodynamique classique, les transformations réversibles supposent essentiellement le voisinage de l'équilibre et par conséquent, les échanges ne peuvent s'effectuer qu'entre corps à températures très voisines Mécanique appliquée (3 ème Année Ingénieur Automatique) Dr.S.Bensaada 3 11.2.. Modes de transfert thermiques De tous temps, les problèmes de transmission d'énergie, et en particulier de la chaleur, ont eu une importance déterminante pour l'étude et le fonctionnement d'appareils tels que les générateurs de vapeur, les fours, les échangeurs, les évaporateurs, les condenseurs, etc., mais aussi pour des opérations de transformations chimiques. En effet, dans certains systèmes réactionnels, c'est la vitesse des échanges de chaleur et non la vitesse des réactions chimiques qui détermine le coût de l'opération (cas de réactions fortement endo- ou exothermique). En outre, de nos jours, par suite de l'accroissement relatif du prix de revient de l'énergie, on recherche dans tous les cas à obtenir le rendement maximal d'une installation pour une dépense d'énergie minimale. Les problèmes de transfert de chaleur sont nombreux, et on peut essayer de les différencier par les buts poursuivis dont les principaux sont : • l'augmentation de l'énergie transmise ou absorbée par une surface, • l'obtention du meilleur rendement d'une source de chaleur, • la réduction ou l'augmentation du passage d'un débit de chaleur d'un milieu à un autre. Le potentiel qui provoque le transport et le transfert de l'énergie thermique est la température. Si deux points matériels placés dans un milieu thermiquement isolé sont à la même température, on peut affirmer qu'il n'existe aucun échange thermique global entre ces deux points dits en équilibre thermique (il s'agit bien d'un équilibre thermique car chacun des points matériels émet une énergie thermique nette de même module, mais de signe opposé).Le transfert de chaleur au sein d'une phase où, plus généralement, entre deux phases, se fait suivant 3 modes : - Par conduction. - Par rayonnement. - et par convection. 11.2.1. Transfert par conduction 1- soit par contact: c'est la conduction thermique; On chauffe l'extrémité d'une tige métallique. La chaleur se propage dans la tige. On dit qu'il y a conduction lorsque la chaleur (transport d'énergie) se propage sans transport de matière. Mécanique appliquée (3 ème Année Ingénieur Automatique) Dr.S.Bensaada 4 • On sait que : o les molécules/atomes sont en perpétuelle agitation thermique. oscillations autour des positions d'équilibre (solides, liquides). déplacements désordonnés (gaz). o à cette agitation thermique est associée une énergie (d'agitation thermique) proportionnelle à la température T. o les molécules sont en perpétuelle interaction les unes avec les autres ; au cours de ces chocs, elles échangent de l'énergie ; une molécule "excitée" peut ainsi perdre un peu de son énergie au profit de ses voisines avec lesquelles elle interagit (fig.206). Fig.206 • Ainsi : o la molécule 1 va choquer la molécule 2 et globalement lui céder une partie de son énergie. o la molécule 2 va choquer la molécule 3, etc. • Une partie de l'énergie de la molécule 1 va donc être transférée vers la droite, vers les molécules moins excitées (donc de température inférieure) et ceci sans déplacement de cette molécule1. o d'où un transfert de chaleur, dans la matière, sans transfert de matière • NOTA : 1. les molécules effectuent un très grand nombre de chocs, les transferts ci-dessus sont donc des bilans sur l'ensemble des chocs. Mécanique appliquée (3 ème Année Ingénieur Automatique) Dr.S.Bensaada 5 2. des molécules de même excitation (donc de même température) échangent de l'énergie lors des chocs, mais le bilan global est nul (transferts équivalents de chaque côté). Seule la conduction assure un bon transfert de chaleur à travers les solides. Par exemple, lorsqu'on chauffe un barreau métallique à l'une de ses extrémités, l'autre extrémité s'échauffe progressivement. Si l'on chauffe suffisamment longtemps, l'objet métallique aura la même température en tout point. La chaleur s'est propagée à partir de l'extrémité chauffée dans tout le reste du matériau. Le barreau métallique a "conduit"de la chaleur : cette propriété s'appelle la conduction thermique. Si l'on arrête subitement de chauffer l'extrémité du barreau métallique, la température diminuera progressivement puis le barreau retrouvera sa température initiale en l'occurrence celle de l'air ambiant. La chaleur transmise à travers les murs ou le plancher d'une maison se fait par conduction thermique. Les bons conducteurs de chaleur sont souvent de bons conducteurs électriques. Dans les métaux, la conduction fait intervenir les électrons libres qui les rendent bons conducteurs de la chaleur. En revanche dans les isolants, la conduction se fait mal. En résumé, il y a une forte correspondance entre les propriétés thermiques et électriques des solides. La conduction s'observe aussi dans des fluides au repos mais elle est beaucoup plus faible que dans un métal. De plus, elle est souvent dominée par la convection. (par exemple pour le calcul des déperditions à travers une parois) paroi plane : paroi cylindrique : Ou : Φ =quantité de chaleur en Watt, λ = Coeff. de conduction du matériaux en W/m.K S = surface du matériaux en m², ∆T = écart de température entre les 2 parois en °C ou K l = longueur de la paroi cylindrique en m, R et r = rayon extérieur et intérieur de la paroi en m. Mécanique appliquée (3 ème Année Ingénieur Automatique) Dr.S.Bensaada 6 11.2.2. Transfert par rayonnement La température entre le Soleil et la Terre est proche de 0 K (Tsurf = 6000 K). Le soleil qui se situe à une distance considérable dans le " vide spatial " nous procure une sensation de chaleur. De même, si nous ouvrons la porte d'un four en fonctionnement, nous percevons une sensation de chaleur instantanée que nous ne pouvons attribuer à un transfert convectif du à l'air entre le four et notre peau. Cet échange de chaleur attribué à l'émission, par la matière du fait de sa température, d'ondes électromagnétiques est appelé rayonnement thermique , il ne nécessite pas la présence d'un milieu intermédiaire matériel. Le rayonnement thermique est caractérisé par des longueurs d'ondes comprises entre , il inclut le domaine du visible (ondes lumineuses ou lumière de et n'occupe qu'une faible portion du spectre d'ondes électromagnétiques. Remarque : bien qu'il soit plus avantageux de rapporter les grandeurs monochromatiques à la fréquence qui est indépendante du milieu matériel transparent où l'onde se propage, l'habitude est de se référer à la longueur d'onde qui dépend de l'indice du milieu où est la longueur d’onde dans le vide; pour l'air ). Cette manière de faire ne présente d'inconvénient majeur que pour les milieux semi-transparents non homogènes. Un point matériel chauffé émet un rayonnement électromagnétique dans toutes les directions situées d'un même côté du plan tangent au point matériel. Lorsque ce rayonnement frappe un corps quelconque, une partie peut être réfléchie, une autre transmise à travers le corps (dit diathermique si tout est transmis), et le reste est quantitativement absorbé sous forme de Mécanique appliquée (3 ème Année Ingénieur Automatique) Dr.S.Bensaada 7 chaleur. Si on place dans une enceinte deux corps capables d'émettre un rayonnement thermique, il existe entre ces deux corps à températures différentes, un échange de chaleur dû à uploads/Finance/ mecanique-applique-partie-2-pdf.pdf