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L’idée d’échange de chaleur est primordiale dans de très nombreux domaines industriels. Par exemple, si l’on envisage simplement d’effectuer un chauffage au moyen de vapeur. Dans un premier temps, il va falloir chauffer de l’eau liquide pour la faire passer à l’état de vapeur. De plus, cette vapeur devra être à une température suffisante pour, compte tenu des pertes thermiques, atteindre son lieu d’emploi. La notion de chaleur latente de vaporisation va être essentielle. Elle correspond à la quantité de chaleur nécessaire à l’unité de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d’un corps pour qu’il change d’état. Cette transformation est envisagée à pression constante. L’énergie échangée lors du changement d’état résulte de la modification des liaisons intermoléculaires dans le composé. L’eau bout, sous la pression d’1 atmosphère, à 100°C. La quantité de chaleur fournie alors pour transformer 1 litre d’eau liquide en vapeur est de 2257 kJ. S’ajoute à cet échange de chaleur, la quantité d’énergie fournie à l’eau pour élever sa température à 100°C, ainsi que la quantité de chaleur fournie à la vapeur pour lui permettre d’atteindre une température suffisante à son transport.

Les média d’échange de la chaleur

Il y existe trois moyens de transférer de la chaleur :

  • La conduction
  • La convection
  • Les rayonnements

La conduction

Dans la conduction, il y a passage de la chaleur d’un objet vers un autre par simple contact matériel. Du point de vue microscopique, une molécule animée d'une vitesse rencontrant une autre molécule au repos lui transmet une fraction de sa propre énergie cinétique lors d’un choc. Lorsque deux corps, un chaud et un froid, sont en contact, les molécules du corps chaud, à l'interface de contact, entrent en collision avec celles du corps froid. Les molécules du corps froid, de proche en proche et de plus en plus loin en profondeur, s’agitent de plus en plus. Le corps froid s'échauffe donc. La rapidité avec laquelle l'énergie passe du corps chaud sur le corps froid par ce processus est essentiellement fonction de la différence des températures entre eux.

La convection

Dans la convection, la chaleur est entraînée par le mouvement de fluides que l’on mélange. On distingue :

  • la convection libre, où le mouvement est créé par la différence de densité liée à l'échauffement. Un fluide plus chaud se dilate. Cela entraîne un accroissement de la poussée d'Archimède car le volume du fluide augmente. Le fluide chaud va donc monter au-dessus de la source chaude. Cela amorce la circulation du fluide. Le fluide chaud est transporté jusqu'au corps froid et laisse sur lui une fraction de son énergie thermique.
  • la convection forcée, où le fluide est agité par des forces extérieures où un dispositif mécanique force le mouvement de circulation du fluide.

Les rayonnements

La chaleur peut également voyager dans le vide, portée par une onde électromagnétique, c'est-à-dire par de la lumière. Tout corps chauffé émet de la lumière. Par exemple, les couches extérieures du soleil ont une température de 5870K. Elles émettent des rayonnements qui vont chauffer la terre. Tout objet « chaud » émet plus de lumière qu'il n'en reçoit de l'extérieur et se refroidit progressivement. Le corps chaud émet un rayonnement électromagnétique vers le corps froid. Les molécules du corps chaud ont donc perdue de l’énergie et se refroidissent. Les molécules du corps froids reçoivent cette énergie et l’utilise pour vibrer. Elles se réchauffent. A l’équilibre les rayonnements des deux corps seront identiques, chacun émettant ce qu’il reçoit.

Grandeurs physiques

Flux thermique

Le flux thermique, Φ, est la quantité d'énergie thermique qui traverse une surface isotherme par unité de temps. Il est appelé « puissance thermique » pour les équipements thermiques.

 

Le flux est parfois représenté par la notation "Q point" : Q. Il est exprimé en watt ou parfois encore en kilocalorie par seconde kcal.s-1 , chez certains de nos grands anciens.

Densité de flux thermique

La densité de flux thermique (ou flux thermique surfacique), φ, est le flux thermique par unité de surface. La densité de flux thermique s'exprime en watt par mètre carré (W.m-2).

 

Si la densité de flux est uniforme sur la surface considérée :

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mercredi, août 16, 2017