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Chapitre 1 : Modes de transfert de chaleur Enseignant : A. Benbrik 1 Chapitre 1

Chapitre 1 : Modes de transfert de chaleur Enseignant : A. Benbrik 1 Chapitre 1 MODES DE TRANSFERT DE CHALEUR 1. Introduction L’énergie thermique se transmet d’un point à un autre, dans un même corps, à chaque fois qu’il existe un gradient de température. Ce phénomène est aussi valable lorsque 2 systèmes, à températures différentes se mettent en contact. La théorie qui étudie le processus de propagation de la chaleur porte le nom de transfert ou transmission de chaleur. La chaleur transmise ne peut être mesurée ou observée directement. Mais les effets qu’elle produit sont observables et mesurables. La science qui étudie les relations entre la chaleur et les autres formes d’énergie s’appelle : thermodynamique. Elle gouverne toutes les transformations d’énergie quantitativement. Mais ne place pas de restrictions quant à la direction de la transformation. Tous les processus de transfert de chaleur impliquent la transmission et la conversion d’énergie. Ils doivent, alors obéir aux premier et deuxième principes de la thermodynamique.  Premier principe : L’énergie ne peut être ni créée ni détruite.  Deuxième principe : La chaleur ne peut être transmise d’une zone à température moins élevée vers une zone à température plus élevée. Mais cela ne peut, pour autant, dire que la théorie de transfert de chaleur est dérivée de la thermodynamique. Car la thermodynamique classique a pour but principal d’étudier les états d’équilibre mécanique, chimique et même thermique. Alors que le transfert de chaleur est le résultat de non équilibre de température. Son traitement quantitatif doit se baser sur une autre branche de la science. Le même raisonnement s’applique aux autres types de processus de transport tel que celui de masse ou de diffusion. La thermodynamique classique traite des états de système d’un point de vue macroscopique et ne fait pas d’hypothèses au sujet de la structure de la matière. L’analyse thermodynamique permet de décrire l’état d’un système en terme de caractéristiques grossières, tels que la pression, volume et température qui peuvent être mesuré directement et n’implique aucune supposition concernant la structure de la matière. Ces variables ou propriétés thermodynamiques ne sont pas significatives pour le système seulement si elles sont uniformes durant les transformations. Ainsi, la thermodynamique classique n’est pas concernée par le détail du processus, mais plutôt, par les états d’équilibre et leurs relations. D’un point de vue thermodynamique, la quantité de chaleur transmise au cours d’un processus est simplement égale à la différence des énergies échangées du système et le travail effectué. Il est évident que ce type d’analyse ne considère ni le mécanisme de l’écoulement de la chaleur ni le temps nécessaire au transfert de la chaleur. Elle décrit simplement quelle quantité de chaleur faut-il fournir au système ou la céder durant le processus entre des états spécifiques finaux, sans considérer quand ni comment ceci peut être accompli. Le fait que cette information ne peut pas être obtenue de l’analyse thermodynamique résulte de l’absence du temps en tant que variable. La question de combien de temps va durer le transfert d’une certaine quantité spécifique de chaleur qui malgré son importance, ne rentre habituellement pas dans l’analyse thermodynamique. Chapitre 1 : Modes de transfert de chaleur Enseignant : A. Benbrik 2 Dans le domaine d’engineering la clef des problèmes consiste à la détermination du taux de transfert de chaleur correspondant à une différence de température bien spécifique. Pour estimer le coût, la faisabilité et les dimensions de l’équipement nécessaires à la transmission d’une certaine quantité de chaleur pour un temps donné, une analyse détaillée du mécanisme de transfert de chaleur doit être réalisée. Les dimensions d’un évaporateur, d’un réchauffeur, d’un réfrigérateur ou d’un échangeur de chaleur ne dépendent pas seulement de la quantité de chaleur à transmettre, mais encore du taux auquel cette chaleur sera transférée dans les conditions données. Le fonctionnement réussi des systèmes de machines tels que les aubes d’une turbine ou bien les parois d’une chambre de combustion dépend des possibilités de refroidissement de certaines parties des matériaux par évacuation continue de la chaleur à des taux rapides. L’analyse de transfert de chaleur doit être aussi réalisée pour le design des machines électriques, transformateurs et les paliers de roulement afin d’éviter les conditions qui peuvent conduire à une surchauffe et la détérioration des équipements. Ces exemples montrent que la plupart des branches d’engineering rencontrent les problèmes de transfert de chaleur dont les solutions ne proviennent pas du raisonnement thermodynamique seul mais exige une analyse basée sur la théorie de transfert de chaleur. En transfert de chaleur, comme dans d’autres branches d’engineering, les solutions réussies des problèmes nécessitent des suppositions et idéalisations. Il est presque impossible de décrire exactement un phénomène physique. Ainsi, pour exprimer un problème sous forme d’équations qui peuvent être résolues il est nécessaire d’introduire des approximations. Dans les calculs des circuits électriques, par exemple, il est usuel d’assumer que les valeurs de résistances, capacités et inductances sont indépendantes du courant qui les traverse. Cette supposition simplifie l’analyse, mais dans certains cas elle peut sérieusement affecter la précision des résultats. Des approximations similaires sont prises en compte dans les problèmes de transfert de chaleur. En réalité les propriétés physiques telles que : chaleur spécifique ou la viscosité changent avec la température. Mais si une valeur moyenne adéquate est choisie, le calcul peut être considérablement simplifié sans faire d’erreur appréciable dans les résultats finaux. Le transfert de chaleur peut être défini comme étant le phénomène de transmission de la chaleur d’une zone à une autre à la base de la différence de température qui existe entre elles. Etant donné que la différence de température existe dans tout l’univers, le phénomène de l’écoulement de la chaleur est universel comme ceux associés à l’attraction terrestre. Ce phénomène étant différent de la gravité terrestre, il n’est pas gouverné par une unique relation, mais plutôt par une combinaison varié de lois physiques indépendantes. Généralement dans la littérature sur le transfert de chaleur il est reconnu trois modes de transmission de la chaleur : Conduction, Rayonnement et Convection. Mais, proprement dit, seul la conduction et le rayonnement doivent être classés en tant que processus de transfert de chaleur. Parce que c’est les deux seuls mécanismes, qui pour leur opération dépendent uniquement de l’existence d’une différence de température. L’autre mode qui est la convection n’est pas tout à fait compatible avec la définition du transfert de chaleur, parce que son opération dépend aussi du transport mécanique de masse. Mais parce que la convection assure aussi la transmission d’énergie d’une zone à température élevée vers une autre à faible température, que l’expression « de transfert de chaleur par convection » est acceptée. Chapitre 1 : Modes de transfert de chaleur Enseignant : A. Benbrik 3 Dans les paragraphes suivants nous passerons en revue les équations de base gouvernant chaque mode de transfert de chaleur. Le but principal est de faire connaissance de manière superficielle sans donner trop de détails. Nous commençons par considérer des cas simples. Puis mettre l’accent sur le cas naturel des transferts de chaleur combinés ou simultanés. 2. Conduction Dans un même corps (solide, liquide ou gazeux) si on soumet l’une de ses parties à une température plus élevée, par exemple, l’équilibre thermique (même température partout) dans lequel se trouvait ce corps sera rompu et la différence de température (gradient de température) qui s’installe va engendrer une propagation de la chaleur vers les parties les moins chaudes. Ce phénomène porte le nom de transfert de chaleur par conduction. L’agitation moléculaire élevée de la zone chaude communiquera de l’énergie cinétique aux zones plus froides par interactions de ces dernières. Ce phénomène a lieu sans déplacement de la matière. C’est pour cette raison que, généralement, la conduction concerne les corps solides. Il en est de même pour les liquides et gaz, mais dès que le milieu se mets en mouvement ça devient un autre mode de transfert de chaleur qui est la convection. La conduction est un phénomène de diffusion qui permet donc à la chaleur de se propager à l’intérieur d’un corps solide. La propagation de la chaleur par conduction à l’intérieur d’un corps s’effectue selon deux mécanismes distincts : une transmission par les vibrations des atomes ou molécules et une transmission par la diffusion des électrons libres. 2.1 Quelques définitions Pour bien comprendre les définitions qui suivent prenons un exemple concret de transfert de chaleur. Considérons le cas d’une barre. 2.1.1 Champ de température Le processus de transfert de chaleur par conduction, comme d’autres modes d’échange de chaleur, peut avoir lieu uniquement dans le cas où il y a une différence de température entre les points de ce corps (fig.1.1). Ce phénomène s’accompagne d’une variation de température dans l’espace et dans le temps. L’étude analytique de la conduction conduit à la résolution de l’équation : t f(x, y, z, t)  (1.1) Cette équation représente l’expression mathématique du champ de température. Ainsi, nous définissons le champ de température comme étant l’ensemble des valeurs de température de tous les points de l’espace étudié dans le temps. z y x t1 t2 Fig. 1.1 : uploads/Litterature/ modes-de-transfert-de-chaleur.pdf