Les différentes méthodes de transfert de chaleur
Les différentes méthodes de transfert de chaleur
La chaleur peut se transmettre d'un corps à un autre ou à l'intérieur d'un même corps. Il existe trois modes principaux de transfert de chaleur :
la conduction ;
la convection ;
le rayonnement.
Ces trois phénomènes sont fondamentaux en thermique et en froid.
1. Le transfert de chaleur
La chaleur se transfère naturellement d'une zone où la température est élevée vers une zone où la température est plus faible.
On peut donc retenir :
La chaleur se déplace toujours du chaud vers le froid.
Le transfert continue jusqu'à ce que les températures tendent à s'équilibrer.
Exemple :
Si on met un glaçon dans un verre d'eau chaude :
l'eau chaude cède de la chaleur ;
le glaçon reçoit de la chaleur ;
le glaçon fond progressivement ;
la température tend vers un équilibre.
2. Les trois modes de transfert de chaleur
Il existe trois modes de transfert :
Mode de transfert | Principe | Exemple |
|---|---|---|
Conduction | Transfert à travers la matière | Une barre métallique chauffée à une extrémité |
Convection | Transfert par déplacement d'un fluide | L'air chaud qui monte |
Rayonnement | Transfert par ondes électromagnétiques | La chaleur du Soleil |
Il est important de bien différencier ces trois phénomènes.
3. La conduction
3.1 Définition
La conduction est un transfert de chaleur qui se produit à travers un matériau, sans déplacement global de la matière.
L'énergie thermique se transmet progressivement d'une particule à l'autre.
La chaleur se déplace toujours de la partie la plus chaude vers la partie la plus froide.
3.2 Exemple
Prenons une barre métallique.
On chauffe une extrémité de la barre.
Progressivement :
Zone chaude → zone moins chaude → zone froide
La chaleur se propage à travers la barre.
Même si l'extrémité de la barre est chauffée, le métal dans son ensemble ne se déplace pas.
Il s'agit donc d'un transfert par conduction.
3.3 Les matériaux conducteurs
Tous les matériaux ne conduisent pas la chaleur de la même manière.
Certains matériaux sont de très bons conducteurs thermiques.
Exemples :
cuivre ;
aluminium ;
fer ;
acier.
Souvent un bon conducteur thermique et un bon conducteur électrique.
D'autres matériaux conduisent très peu la chaleur. Ce sont des isolants thermiques.
Exemples :
laine de verre ;
polystyrène ;
liège ;
bois ;
mousse isolante.
Dans le domaine du froid, cette propriété est particulièrement importante.
On cherche généralement à limiter les transferts de chaleur à travers les parois d'une chambre froide.
4. La convection
4.1 Définition
La convection est un transfert de chaleur qui se produit grâce au déplacement d'un fluide.
Un fluide peut être :
un liquide ;
un gaz.
La convection est donc particulièrement importante dans l'air et dans l'eau.
4.2 Comment fonctionne la convection ?
Un corps chauffé a généralement tendance à se dilater et donc à devenir moins dense. Dans un fluide, comme l’air ou l’eau, cette différence de densité peut provoquer des mouvements de convection et conduire à des phénomènes de stratification.
On peut aussi l’expliquer simplement :
Chauffage → dilatation → densité diminue
Refroidissement → contraction → densité augmente
Dans un fluide soumis à la gravité, le fluide moins dense a tendance à monter, tandis que le fluide plus dense a tendance à descendre.
Ces mouvements peuvent créer une stratification thermique, c'est-à-dire des couches de températures différentes.
Lorsqu'un fluide est chauffé, sa température augmente et sa masse volumique diminue généralement.
Le fluide chaud a alors tendance à monter.
Le fluide plus froid, plus dense, descend.
Cela crée un mouvement du fluide.
On obtient alors une circulation naturelle :
fluide chaud → monte
fluide froid → descend
Ce mouvement permet de transporter la chaleur.
4.3 Convection naturelle
La convection naturelle se produit sans ventilateur ni pompe.
Le mouvement du fluide est provoqué naturellement par les différences de température et de masse volumique.
en hydraulique on parle de l'effet de thermosiphon
Exemple
Une casserole d'eau placée sur une plaque chauffante.
L'eau située au fond de la casserole est chauffée.
Elle devient plus chaude et monte.
L'eau plus froide descend.
Un mouvement de circulation apparaît dans la casserole.
C'est de la convection naturelle.
4.4 Convection forcée
La convection forcée utilise un dispositif mécanique pour provoquer le déplacement du fluide.
On peut utiliser :
un ventilateur ;
une pompe ;
un circulateur.
Exemple dans le domaine du froid
Dans une chambre froide équipée d'un évaporateur ventilé :
l'air de la chambre est aspiré ;
il passe sur l'évaporateur ;
il est refroidi ;
le ventilateur renvoie l'air refroidi dans la chambre.
Le déplacement de l'air est provoqué par le ventilateur.
Il s'agit donc d'une convection forcée.
5. Le rayonnement
5.1 Définition
Le rayonnement est un transfert de chaleur qui se fait sous forme d'ondes électromagnétiques.
Contrairement à la conduction et à la convection, le rayonnement ne nécessite pas obligatoirement la présence d'un milieu matériel.
Il peut donc se propager dans le vide.
5.2 Exemple du rayonnement
Le meilleur exemple est le Soleil.
Entre le Soleil et la Terre, il existe principalement du vide.
Pourtant, l'énergie thermique du Soleil atteint la Terre.
Cette énergie est transportée par rayonnement.
On peut également ressentir le rayonnement thermique d'un feu sans être directement en contact avec les flammes.
5.3 Les surfaces et le rayonnement
Les corps peuvent :
absorber le rayonnement ;
réfléchir une partie du rayonnement ;
émettre du rayonnement.
La couleur et la nature de la surface peuvent influencer son comportement vis-à-vis du rayonnement.
Une surface sombre absorbe généralement davantage le rayonnement qu'une surface claire ou réfléchissante.
C'est notamment pour cette raison que certaines installations utilisent des surfaces réfléchissantes pour limiter les apports de chaleur par rayonnement.
6. Comparaison des trois modes de transfert
Conduction
La chaleur traverse un matériau.
Exemple :
Une cuillère métallique plongée dans une boisson chaude devient progressivement chaude.
Le transfert se fait à travers le métal.
Convection
La chaleur est transportée par le déplacement d'un fluide.
Exemple :
L'air chauffé par un radiateur monte dans une pièce.
Rayonnement
La chaleur est transportée par des ondes électromagnétiques.
Exemple :
La chaleur reçue du Soleil.
6.1 Les trois modes peuvent agir simultanément
Dans une installation réelle, les trois modes de transfert peuvent être présents en même temps.
Prenons l'exemple d'une paroi de chambre froide.
La chaleur extérieure peut atteindre la paroi par convection.
Elle traverse ensuite la paroi par conduction.
À l'intérieur de la chambre froide, la chaleur peut ensuite être transmise à l'air par convection.
On peut donc avoir :
Air extérieur
↓
Convection
↓
Paroi
↓
Conduction
↓
Surface intérieure
↓
Convection
↓
Air de la chambre froide
Le rayonnement peut également intervenir entre les différentes surfaces.
7. Application au domaine du froid
La compréhension des transferts de chaleur est essentielle en réfrigération.
Une installation frigorifique a pour objectif de retirer de la chaleur d'un milieu pour maintenir sa température à un niveau donné.
Par exemple, dans une chambre froide :
Produit → air → évaporateur
La chaleur du produit est transmise à l'air.
L'air transmet ensuite cette chaleur à l'évaporateur.
Le fluide frigorigène permet ensuite d'évacuer cette chaleur vers l'extérieur de l'installation.
7.1 Exemple : refroidissement d'un produit
Imaginons un produit chaud placé dans une chambre froide.
Étape 1
Le produit est plus chaud que l'air de la chambre.
La chaleur passe donc :
Produit → air
Il s'agit principalement d'un transfert par convection au niveau de la surface du produit.
Étape 2
L'air de la chambre se déplace.
S'il y a un ventilateur, on parle de convection forcée.
Étape 3
L'air passe sur l'évaporateur.
La chaleur est transférée de l'air vers l'évaporateur.
Étape 4
La chaleur est absorbée par le fluide frigorigène dans l'évaporateur.
Le système frigorifique permet ensuite de rejeter cette chaleur vers l'extérieur.
8. Les isolants thermiques
Dans une installation frigorifique, on cherche généralement à réduire les transferts de chaleur non désirés.
Pour cela, on utilise des matériaux isolants.
Exemples :
polyuréthane ;
polystyrène ;
laine minérale ;
mousse isolante.
Un bon isolant possède une faible conductivité thermique.
Il limite donc le transfert de chaleur par conduction.
9. Conductivité thermique
La capacité d'un matériau à conduire la chaleur est caractérisée par sa conductivité thermique, généralement notée :
λ
Plus la conductivité thermique est faible, plus le matériau est isolant.
À l'inverse :
Plus la conductivité thermique est élevée, plus le matériau conduit facilement la chaleur.
On peut donc retenir :
λ faible → bon isolant
λ élevée → bon conducteur
10. Épaisseur de l'isolant
L'épaisseur de l'isolant joue également un rôle important.
Plus l'épaisseur d'un isolant augmente, plus il est difficile pour la chaleur de traverser la paroi.
Dans une chambre froide, une épaisseur d'isolant suffisante permet donc de limiter les entrées de chaleur.
Cependant, l'épaisseur nécessaire dépend notamment :
de la température intérieure ;
de la température extérieure ;
du type d'isolant ;
de la conductivité thermique ;
de la construction de la paroi.
1. Conduction
Transfert de chaleur à travers la matière
Exemple : chaleur qui se propage dans une barre métallique.
2. Convection
Transfert de chaleur par déplacement d'un fluide.
Exemple : circulation de l'air dans une chambre froide.
3. Rayonnement
Transfert de chaleur par ondes électromagnétiques.
Exemple : rayonnement thermique du Soleil.
Conduction | Convection | Rayonnement | |
|---|---|---|---|
Principe | À travers la matière | Déplacement d'un fluide | Ondes électromagnétiques |
Matière nécessaire | Oui | Oui, fluide | Non |
Liquides | Oui | Oui | Oui |
Gaz | Oui, mais faible | Oui | Oui |
Solides | Oui | Non | Oui |
Exemple | Barre métallique | Air d'une chambre froide | Soleil |
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