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Faculté des Sciences Université Ibn Tofail Département de chimie Kenitra Projet

Faculté des Sciences Université Ibn Tofail Département de chimie Kenitra Projet de fin d’étude Filière : Sciences de la Matière chimie Intitulé du Projet : Réalisé par : Encadré par : Errachid bader-eddine Pr. B. Sallek Fakhr Eddine Ali Année Universitaire : 2015/2016 Transfert de chaleur 2 REMERCIEMENTS On tient, au terme de ce mémoire, à exprimer notre entière gratitude et mes sincères Remerciements à notre professeur encadrant Mr B.Sallek de nous avoir adopté pour ce projet, pour qu’il nous a consacré et ses directives précieuses. On tient également à remercier tous les profs de la filière science de matière chimie pour leur dévouement et leurs soutiens tout au long de la période des études. Nos remerciements vont enfin à toutes personnes ayant contribué de près ou de loin a l’élaboration de ce projet. 3 SOMMAIRE : Introduction.................................................................................................................................4 Chapitre I : Définition des grandeurs Fondamentale……......................................................... 6 I. Chaleur……………………………………………………………………………….....7 I.1.Définition............................................................................................................. 7 I.2. Les Chaleurs Spécifiques :.................................................................................7 I.3.Echanges de chaleur……………........................................................................8 I.4.Flux de chaleur…………………………………………………………………..8 I.5.Chaleur latente …………......................................................................................................9 II. Température…..............................................................................................................9 I.1.Définition............................................................................................................9 I.2.les échelle de température ………………………………………………...….10 Chapitre II : Les modes et les applications de transfert de chaleur….………………………11 Introduction ..................................................................................................................12 I. Transfert de chaleur par conduction ………………………………………………….13 I-1-Définition……………………………………………………………….……13 I-2-loi de Fourier…………………………………………………………………14 II-3-Densité de flux de chaleur…………………………………………………..15 II- Transfert de chaleur par convection…………………………………………………15 II.1.Définition………………………………………………………………..15 II.1.1.La convection naturelle (libre)…………………………………………16 II.1.2.La convection forcée…………………………………………..………17 II.2 Application de la convection : Radiateur de chauffage...................................17 III- Transfert de chaleur par rayonnement…………………………………………..……18 III.1. Définition………………………………………………………………...….18 III.2. Structure du rayonnement………………………………………….………18 III.3.Nature du rayonnement ……………………………………………………..19 III.4.Principe du chauffage par rayonnement………………………………………19 III.5. Le chauffage solaire…………………………………………………………20 Conclusion………………………………………………………………………………….. Référence …………………………………………………………………………..………21 4 Introduction Historiquement, ce n’est qu’au XIXe siècle que les notions de température et de chaleur ont été progressivement expliquées de manière satisfaisante au niveau microscopique. En fait, la chaleur d’un corps matériel s’interprète comme étant la somme des énergies d’agitation désordonnée des molécules (ou atomes) qui le composent. La température, elle, mesure le niveau d’agitation et plus l’agitation moléculaire croît, plus la température est élevée. Une manifestation directe de l’agitation moléculaire est le mouvement brownien. En 1827, Robert Brown, botaniste anglais a observé au microscope que des particules de pollen en suspension dans l’eau, étaient animées d’un mouvement désordonné. L’explication est que les particules de pollen, qui ont une taille de l’ordre du micron, sont continuellement frappées par les molécules d’eau animées d’un mouvement désordonné. Ainsi, même si l’on ne peut pas voir directement les molécules d’eau au microscope, on peut observer l’effet de leur agitation sur de petites particules. L’expérience quotidienne nous montre que les corps matériels ont la propriété de conduire plus ou moins bien la chaleur. Spontanément, la chaleur passe du corps chaud au corps froid. Le premier traité consacré à la conduction de la chaleur a été publié en 1822 par Joseph Fourier. La propagation de la chaleur dans les corps solides possède quelques analogies avec la propagation d’un fluide, mais, en réalité ce n’en est pas un. La propagation de la chaleur peut se comprendre comme étant l’agitation de constituants élémentaires (molécules, atomes, électrons) qui est transféré d’une partie à l’autre d’un corps matériel [1]. Le transfert de chaleur est une discipline riche en phénomènes physiques et en applications pratiques dans notre vie de tous les jours. Leur prédiction est primordiale dans tout dimensionnement de la plupart des systèmes industriels, spatiaux, aéronautiques et domestiques. D'autant plus que nos sociétés ont engagé un processus d'optimisation énergétique pour réduire les émissions à gaz à effet de serre et pour anticiper la future mutation énergétique. Ce type le transfert thermique par « contact » est appelé transfert par conduction car il s’effectue par contact dans tout milieu matériel. Aussi, parmi les transferts thermiques, les transferts d’énergie par rayonnement entre le système et le milieu extérieur, et celà lorsque le rayonnement, reçus ou émis, est d’origine thermique. Dans le vide les transferts thermique se 5 font uniquement par rayonnement et il est fréquent de les cambiner aux transferts d’énergie par convection. 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. D’où, notre rapport sera developpé autour de deux chapitres essentiels. -Dans le premier chapitre, donnons les définitions des grandeurs fondamentals concernant la chaleur (chaleur spésifique, latente et echanges de chaleurs), et aussi la température. -Dans le second chapitre, nous définissions les modes de transfert de chaleur par conduction par convection et par rayonnement, ainsi nous terminions par donner quelques applications concernant ces transfrets. . 6 Chapitre I : Définition des grandeurs Fondamentales 7 I-Chaleur I.1.Définitions -La chaleur, c’est la quantité d’énergie thermique contenue dans un corps et qu’il est possible d’extraire pour s’en servir (pour chauffer par exemple). Elle est aussi une forme particulière de travail, qui correspond à une augmentation ou diminution de l’agitation des particules élémentaires constituant la matière. -L’unité inetrnatinalle de la chaleur (Q) est le joule (J). -Le premier principe de la thermodynamique exprime l’équivalence de la chaleur et du travail, qui sont deux formes différentes d’un même concept : l’énergie interne. La chaleur se transfert toujours du corps le plus chaud au corps plus froid (2éme principe) [2]. I.2.Les Chaleurs Spécifiques : L’étude expérimentale de la mise en équilibre thermique de deux corps de masse m1 et m2 et de natures différentes, montre que la température d’équilibre de l’ensemble n’est pas la moyenne de leurs températures initiales T1 et T2, même s’ils ont la même masse. On constate que tout se passe comme si chaque corps disposait au départ d’une capacité thermique qui, rapporté à sa masse, était proportionnel à sa température. Les coefficients de proportionnalités C1 et C2 dépendent de la nature du corps. Comme la chaleur perdue par le corps chaud est gagnée par le corps froid on obtient la température d’équilibre : Ainsi, de façon plus générale, on exprimera la quantité de chaleur Q absorbée ou cédée par un corps de masse m dont la température évolue de T1 (température initiale) à T2 (température finale) par : Q = m C (T2 – T1) Q : représente la quantité de chaleur (en J) m : la masse du corps (en kg) C : la capacité thermique du corps (en J/kg.°C) T1et T2 les températures initiale et finale du corps (en °C). [3] 8 I.3.Echanges de chaleur Lorsque l'on met en contacte deux corps de températures différentes, le corps à haute température cède de la chaleur à celui à basse température. L'expérience montre que la chaleur ne peut s'écouler que du chaud vers le froid et pas l'inverse. L'échange de chaleur cesse lorsque les deux corps ont la même température : la température d'équilibre est atteinte. La conservation de l'énergie implique que la chaleur reçue par un corps est égale à celle cédée par l'autre. En utilisant la convention que la chaleur reçue par un corps est positive et celle cédée est négative (figure I-1) [4]. Q reçue +Q cédée = 0 [J] Figure I-1 : transfert de chaleur du corps chaud vers le corps froid I.4.Flux de chaleur Si entre deux instants t1et t2, l’interaction étudiée s’accompagne d’un échange de chaleur δQ, la Quantité de chaleur transférée par unité de temps : Un flux de chaleur est une puissance, il s’exprime donc en Joules/s, C’est-à-dire en Watt (figure I-2) [2]. Figure I-2 : sens du transfert de chaleur et résistance thermique 9 I.5.Chaleur latente On appelle chaleur latente de changement d'état d'une substance, la quantité de chaleur L nécessaire pour effectuer, à température Constante, le changement d'état de l'unité de masse du corps, la pression restant constante et égale à la pression d'équilibre entre les deux états (tableau 1) [5]. Q : représente la quantité de chaleur (en J) m : représente la masse du corps (en kg) L : représente la chaleur latente du corps (en J/kg) Tableau 1 : Exemples de chaleurs latentes selon la nature des corps II. Température II.1. Définitions : -Grandeur physique qui décrit l’état thermique d’un corps et une mesure de l’énergie cinétique moyenne des constituants élémentaires (atomes ou molécules) d’un corps [2].  Notion de température -La notion de température trouve son origine dans la sensation de chaud ou froid que nous ressentons lorsque nous touchons un objet. Pour évaluer une température, nous ferons appel aux phénomènes physiques qui accompagnent les variations de température. Cette sensation ne suffit pas pour définir précisément la température : une Même eau tiède nous paraît froide ou chaude suivant que nous avons préalablement plongé notre main dans de l'eau plus chaude ou plus froide. De même, un objet métallique plongé dans une glacière produit au contact une impression de froid plus vive qu'un morceau de bois place dans la même glacière [6]. II.2. Les échelles de température : a. Echelle kelvin 10 Cette échelle est basée sur la dilatation des gaz parfaits. Elle part du zéro absolu. Un intervalle de température de 1°K, ou simplement 1 K est égal à 1°C. [T] = K (kelvin) uploads/Geographie/ projet-pfe.pdf