Transferts de chaleur. Marie Pierrot Lycée du Rempart

Transcription

1 Transferts de chaleur 1

2 Température et chaleur La température : C'est une grandeur physique qui caractérise le degrés d'agitation thermique des particules constituant la matière. Elle se mesure à l'aide d'un thermomètre. La chaleur : C'est un transfert d'energie thermique. Entre deux corps de températures différentes il peut y avoir un échange de chaleur jusqu'à ce que les deux corps soient à la même température, c'est à dire jusqu'à l'équilibre thermique. 2

3 Les 3 modes de transfert de chaleur Le transfert d'énergie thermique (de chaleur) entre deux corps s'effectue toujours du corps chaud vers le corps froid, selon trois modes de transfert possibles : Convection Rayonnement Conduction 3

4 La convection La convection est un mode de transfert thermique qui s'effectue dans un fluide (gaz ou liquide) avec un déplacement de matière. Le fluide chaud est plus léger que le fluide froid et monte, laissant la place à de la matière plus froide qui va s'échauffer à son tour... Le film illustrant ce phénomène 4

5 Le rayonnement Le transfert d'énergie par les ondes électromagnétiques est appelé rayonnement Le réchauffement par rayonnement Selon la nature du photon reçu par la matière il peut il avoir soit transformation chimique, soit agitation des particules élémentaires, c'est à dire un échauffement de la matière. Film : rayonnement du soleil Et l'effet de serre alors??? Qu'est ce que c'est? Dessin animé expliquant le principe de l'effet de serre Une animation pour plus de détails... 5

6 La conduction La conduction est un mode de transfert thermique, qui s'effectue sans transport de matière. L'agitation des particules élémentaires se transmet de proche en proche. Animation : conduction thermique Exemples : La grandeur qui caractérise le comportement d'un matériau lors d'un transfert thermique par conduction est sa conductivité thermique : λ qui s'exprime en W.m 1. C 1 λcuivre 386 W.m 1. C 1 λfer 73 W.m 1. C 1 λverre 1,2 W.m 1. C 1 λbois 0,2 W.m 1. C 1 6

7 Le flux thermique Un corps chaud échange avec l'extérieur, pendant une durée Δt, la quantité de chaleur Q, selon les trois modes de transfert thermique... Le flux de transfert thermique est défini par : Q Δt 7

8 Le flux thermique Un corps chaud échange avec l'extérieur, pendant une durée Δt, la quantité de chaleur Q, selon les trois modes de transfert thermique... Le flux de transfert thermique est défini par : Flux de transfert thermique en Watt C'est une Puissance Quantité de chaleur en Joule Q Δt C'est une Energie Durée en secondes 8

9 Coefficient de transmission thermique θf Le flux dépend de plusieurs facteurs : θc La différence de température entre les deux milieux La surface qui sépare les deux milieux La matière qui sépare les deux milieux. θf < θc 9

10 Coefficient de transmission thermique Flux de transfert thermique en Watt θf K G. S. θc θf θc Coefficient de transmission thermique global en W.m 2. C 1 Ecart de température en C Caractéristique de la matière qui sépare les deux milieux θf < θc Surface de séparation en m2 10

11 Résistance thermique A l'inverse quand c'est la qualité d'isolation thermique qui nous intéresse, dans le cas de vétements chauds (protégeant du froid), ou dans l'habitat, on s'intéresse davantage à la notion de résistance thermique : 1 R G KG La résistance thermique caractérise la propriété d'un matériau à «résister au flux de chaleur»... Quelle est son unité? 11

12 Résistance thermique A l'inverse quand c'est la qualité d'isolation thermique qui nous intéresse, dans le cas de vétements chauds (protégeant du froid), ou dans l'habitat, on s'intéresse davantage à la notion de résistance thermique : 1 R G KG La résistance thermique caractérise la propriété d'un matériau à «résister au flux de chaleur»... Quelle est son unité? RG s'exprime en m2. C.W 1. Pour les vètements, on utilise une autre unité : 1 clo 0,155 m2. C.W 1...Qui permet de maintenir l'équilibre thermique d'une personne au repos dans une pièce à 21 C 12

13 Transfert de chaleur à travers un mur S.(θC θf ) Q ϕ Δt R Q R est la résistance thermique de la paroi, elle indique sa capacité à ralentir le transfert de chaleur. Plus sa valeur est grande plus la paroi est isolante. Epaisseur e (en m) 13

14 Transfert de chaleur à travers un mur S.(θC θf ) Q ϕ Δt R Q R est la résistance thermique de la paroi, elle indique sa capacité à ralentir le transfert de chaleur. Plus sa valeur est grande plus la paroi est isolante. Epaisseur e (en m) R est proportionnelle à l'épaisseur «e» du matériau, et inversement proportionnelle à la conductivité thermique «λ» du matériau. e R λ Résistance thermique en m2.k.w 1 Epaisseur du mur en m Conductivité thermique en W.m 1.K 1 14

15 A vous de jouer! Quelle est la résistance thermique de la couche de béton (d'épaisseur 20 cm) sachant que la conductivité thermique du béton est : λbéton 0,17 W.m 1.K 1 15

16 A vous de jouer! Quelle est la résistance thermique de la couche de béton (d'épaisseur 20 cm) sachant que la conductivité thermique du béton est : λbéton 0,17 W.m 1.K 1 R béton e λ béton 0,2 1,2 m².k.w 1 0,17 16

17 A vous de jouer! Quelle est la résistance thermique de la couche de béton (d'épaisseur 20 cm) sachant que la conductivité thermique du béton est : λbéton 0,17 W.m 1.K 1 R béton e λ béton 0,2 1,2 m².k.w 1 0,17 Quel est le flux de transfert thermique à travers un m² de la couche de béton? 17

18 A vous de jouer! Quelle est la résistance thermique de la couche de béton (d'épaisseur 20 cm) sachant que la conductivité thermique du béton est : λbéton 0,17 W.m 1.K 1 R béton e λ béton 0,2 1,2 m².k.w 1 0,17 Quel est le flux de transfert thermique à travers un m² de la couche de béton? S. θc θf R béton 1. 19,91 19,45 0,38 W 1,2 18

19 A vous de jouer! Quelle est la résistance thermique de la couche de béton (d'épaisseur 20 cm) sachant que la conductivité thermique du béton est : λbéton 0,17 W.m 1.K 1 R béton e λ béton 0,2 1,2 m².k.w 1 0,17 Quel est le flux de transfert thermique à travers un m² de la couche de béton? S. θc θf R béton 1. 19,91 19,45 0,38 W 1,2 A votre avis, quel est le flux de transfert thermique à travers un m² de la couche de matériau isolant «Néopor»? 19

20 A vous de jouer! Quelle est la résistance thermique de la couche de béton (d'épaisseur 20 cm) sachant que la conductivité thermique du béton est : λbéton 0,17 W.m 1.K 1 R béton e λ béton 0,2 1,2 m².k.w 1 0,17 Quel est le flux de transfert thermique à travers un m² de la couche de béton? S. θc θf R béton 1. 19,91 19,45 0,38 W 1,2 A votre avis, quel est le flux de transfert thermique à travers un m² de la couche de matériau isolant «Néopor»? Exactement le même puisque il faut bien que la quantité de chaleur qui va traverser le bloc de Néopor aie traversé au préalable la couche de béton... Et c'est aussi la quantité de chaleur qui traverse le mur entier! 20

21 A vous de jouer! En déduire la résistance thermique de la couche de Néopor et la comparer à celle du béton. 21

22 A vous de jouer! En déduire la résistance thermique de la couche de Néopor et la comparer à celle du béton. R neopor S. θc θf 1. 19,45 9,91 25,1 m².k.w 1 0,38 R béton 22

23 A vous de jouer! En déduire la résistance thermique de la couche de Néopor et la comparer à celle du béton. R neopor S. θc θf 1. 19,45 9,91 25,1 m².k.w 1 0,38 R béton Quelle est la résistance thermique des couches de Néopor et de béton réunies? 23

24 A vous de jouer! En déduire la résistance thermique de la couche de Néopor et la comparer à celle du béton. R neopor S. θc θf 1. 19,45 9,91 25,1 m².k.w 1 0,38 R béton Quelle est la résistance thermique des couches de Néopor et de béton réunies? R neopor béton R neopor béton S. θc θf 1. 19,91 9,91 26,3 m².k.w 1 0,38 24

25 A vous de jouer! En déduire la résistance thermique de la couche de Néopor et la comparer à celle du béton. R neopor S. θc θf 1. 19,45 9,91 25,1 m².k.w 1 0,38 R béton Quelle est la résistance thermique des couches de Néopor et de béton réunies? R neopor béton R neopor béton S. θc θf 1. 19,91 9,91 26,3 m².k.w 1 0,38 Que peut on remarquer? 25

26 A vous de jouer! En déduire la résistance thermique de la couche de Néopor et la comparer à celle du béton. R neopor S. θc θf 1. 19,45 9,91 25,1 m².k.w 1 0,38 R béton Quelle est la résistance thermique des couches de Néopor et de béton réunies? R neopor béton R neopor béton S. θc θf 1. 19,91 9,91 26,3 m².k.w 1 0,38 Que peut on remarquer? R neopor +béton R neopor +R béton 26

27 Transfert de chaleur à travers un mur constitué de plusieurs couches de matériaux différents 27

28 Transfert de chaleur à travers un mur constitué de plusieurs couches de matériaux différents Les résistances thermiques des différentes couches s'ajoutent pour former celle du mur complet : RMUR R1 + R2 + Ra + R3 28

29 Exercice d'application : Quelle est la résistance thermique d'un simple vitrage d'épaiseur 4 mm, sachant que la conductivité thermique du verre est λverre 1,2 W.m 1.K 1? 29

30 Exercice d'application : Quelle est la résistance thermique d'un simple vitrage d'épaiseur 4 mm, sachant que la conductivité thermique du verre est λverre 1,2 W.m 1.K 1? R verre e λ verre 0, ,33.10 m².k.w 1,2 30

31 Exercice d'application : Quelle est la résistance thermique d'un simple vitrage d'épaiseur 4 mm, sachant que la conductivité thermique du verre est λverre 1,2 W.m 1.K 1? R verre e λ verre 0, ,33.10 m².k.w 1,2 Quelle est la résistance thermique d'un double vitrage d'épaiseur mm, sachant que la conductivité thermique de l'air est λair 2, W.m 1.K 1? 31

32 Exercice d'application : Quelle est la résistance thermique d'un simple vitrage d'épaiseur 4 mm, sachant que la conductivité thermique du verre est λverre 1,2 W.m 1.K 1? R verre e λ verre 0, ,33.10 m².k.w 1,2 Quelle est la résistance thermique d'un double vitrage d'épaiseur mm, sachant que la conductivité thermique de l'air est λair 2, W.m 1.K 1? R air e 0, ,64 m².k.w 2,5 λ air 32

33 Exercice d'application : Quelle est la résistance thermique d'un simple vitrage d'épaiseur 4 mm, sachant que la conductivité thermique du verre est λverre 1,2 W.m 1.K 1? R verre e λ verre 0, ,33.10 m².k.w 1,2 Quelle est la résistance thermique d'un double vitrage d'épaiseur mm, sachant que la conductivité thermique de l'air est λair 2, W.m 1.K 1? R air e 0, ,64 m².k.w 2,5 λ air R Double vitrage R verre R air R verre 3, ,64 3, ,65 m².k.w 1 33

34 Transfert thermique par rayonnement En physique, un corps noir est un objet idéal qui absorberait toute l'énergie électromagnétique qu'il recevrait, sans en réfléchir ni en transmettre. La puissance rayonnée par une surface S d'un corps noir dépend uniquement de sa température et se calcule à l'aide de la loi de Stephan : Température du corps en? Puissance rayonnée en? ϕ σ. S. T4 Constante de Stephan σ 5, W.m 2.K 4 Surface du corps en? 34

35 Transfert thermique par rayonnement En physique, un corps noir est un objet idéal qui absorberait toute l'énergie électromagnétique qu'il recevrait, sans en réfléchir ni en transmettre. La puissance rayonnée par une surface S d'un corps noir dépend uniquement de sa température et se calcule à l'aide de la loi de Stephan : Température du corps en K Puissance rayonnée en W σ. S. T4 Constante de Stephan σ 5, W.m 2.K 4 Surface du corps en m2 35

36 Transfert thermique par rayonnement La puissance rayonnée par unité de surface,appellée émittance M dépend de la température du corps et de son emissivité ε : Emittance en Température du corps en?? M σ. ε. T4 Constante de Stephan σ 5, W.m 2.K 4 Emissivité? L'émissivité ε est un coefficient compris entre 0 et 1. Pour le corps noir ε 1 et pour un miroir idéal (parfaitement réfléchissant) ε 0. 36

37 Transfert thermique par rayonnement La puissance rayonnée par unité de surface,appellée émittance M dépend de la température du corps et de son emissivité ε : Emittance en W.m 2 Température du corps en K M σ. ε. T4 Constante de Stephan σ 5, W.m 2.K 4 Emissivité sans unité L'émissivité ε est un coefficient compris entre 0 et 1. Pour le corps noir ε 1 et pour un miroir idéal (parfaitement réfléchissant) ε 0. 37

38 Transfert thermique par rayonnement On peut observer les zones «chaudes» avec une caméra infra-rouge, car c'est principalement dans ce domaine de longueur d'onde que le rayonnement du à la chaleur apparait. 38

39 Transfert thermique par rayonnement On peut observer les zones «chaudes» avec une caméra infra-rouge, car c'est principalement dans ce domaine de longueur d'onde que le rayonnement du à la chaleur apparait. Ponts thermiques dans une habitation : La longueur d'onde émise dépend de la température du corps 39