A quoi sert le transfert thermique ?

Qu’est-ce que le transfert thermique ?

L’énergie thermique est l’énergie cinétique d’agitation microscopique d’un objet, qui est due à une agitation désordonnée de ses molécules et de ses atomes.  Les transferts d’énergie thermique entre corps sont appelés transferts thermiques. Ils jouent un rôle essentiel en thermodynamique. Deux corps ayant la même température sont dits en équilibre thermique. Si leur température est différente, le corps le plus chaud cède de l’énergie au corps le plus froid : il y a alors transfert de chaleur.

Il existe trois modes de transfert d’énergie thermique : la conduction, la convection et le rayonnement thermique. La conduction se produit lorsque les flux de chaleur passent d’un corps à un autre, par contact. On parle de convection lorsqu’un corps qui se déplace emmène avec lui, la chaleur qu’il contient. Ce mode de transfert implique un déplacement de matière dans le milieu. La matière est alors « advectée » par au moins un fluide. Enfin, le rayonnement – ou radiation – correspond à l’ensemble des corps qui émettent de la lumière et sont eux-mêmes chauffés par la lumière qu’ils absorbent. C’est le cas des rayons du soleil.

Les différents types de transferts thermiques

Le transfert de chaleur par conduction

Le transfert par conduction est un échange d’énergie avec contact. Dans un gaz ou un liquide, l’énergie se propage par contact direct entre molécules au gré des chocs aléatoires à l’échelle microscopique. Dans les solides, la conduction thermique est assurée par les électrons de conduction et les phonons, autrement dit les vibrations du réseau cristallin. Ces phonons interagissent avec les électrons libres, ce qui explique que la conductivité thermique et électrique soient liées. C’est pourquoi certains métaux comme le cuivre, l’argent, l’aluminium, l’inox ou l’acier sont des bons conducteurs d’électricité et de chaleur.

La conduction thermique est un transfert thermique spontané d’une région de température élevée vers une région de température plus basse. Cette loi dite de Fourier établit que la densité de flux de chaleur est proportionnelle au gradient de température.

On trouve des exemples de transfert par conduction dans la vie de tous les jours. Le transfert s’effectue à travers une paroi diathermique comme c’est le cas pour les radiateurs d’un chauffage central. Au contraire, une paroi adiabatique, comme une bouteille thermos, s’oppose au transfert de chaleur.

Le transfert thermique par convection

Ce transfert d’énergie s’accompagne de mouvement de molécules dans un liquide ou un gaz. La convection naturelle ou libre évoque un échange de chaleur responsable du mouvement. C’est le transfert thermique qui provoque le mouvement. Un radiateur électrique sans ventilateur ni soufflerie va naturellement par exemple diffuser de l’air chaud. On parle au contraire de convection forcée lorsqu’un système mécanique entraîne les molécules vers le système chauffant. Le mouvement facilite alors le transfert thermique, comme lorsque l’on souffle sur un liquide chaud dans sa tasse. C’est ce même principe qui s’observe dans les radiateurs à circulation d’eau ou d’air.

Le transfert thermique par rayonnement

Le transfert se fait par rayonnement électromagnétique comme l’infrarouge peut se réaliser dans le vide sans la présence de matière. Le rayonnement du soleil dans l’espace en est l’exemple caractéristique.

Le corps récepteur réfléchit alors certaines longueurs d’ondes. Ce sont uniquement ces longueurs d’onde absorbées qui contribuent à son équilibre thermique. Si le récepteur est un corps noir, il absorbera l’ensemble des rayonnements électromagnétiques, sans en réfléchir ni en transmettre, alors l’ensemble des rayonnements contribueront à son équilibre thermique. Mais le corps noir est un objet parfait, qui n’existe pas dans la réalité. Il sert uniquement de base aux physiciens.

Pour quantifier ces échanges, l’on utilise la loi de Stefan-Boltzmann. La puissance rayonnée par un corps est donnée par la relation P = εSσT4

Avec :

• σ : constante de Stefan-Boltzmann (5,670367 × 10-8 kg s-3 K-4)
• ε : émissivité, cœfficient sans unité qui vaut 1 pour un corps noir et qui est compris entre 0 et 1 selon l’état de surface du matériau.
• S : superficie du corps ;
• T : température du corps (en kelvin).

Les échangeurs thermiques, un procédé industriel de la mécanique des fluides

Les échangeurs thermiques sont des éléments essentiels du domaine du chauffage et de la climatisation. Un échangeur thermique permet le transfert de chaleur entre deux fluides au travers d’une paroi. Le matériau qui compose l’échangeur thermique doit alors être le plus conducteur possible afin de limiter les pertes thermiques et favoriser l’échange.

Pour que l’échange soit possible, il doit y avoir différence de température. Le delta de température (dT) est généralement exprimé en Kelvin (K) ou en degrés Celsius (°C). De ce fait, au niveau de l’échangeur, le premier fluide entre chaud et ressort refroidi, tandis que le second fluide entre froid et ressort plus chaud.

Il existe de nombreux types d’échangeurs thermiques, à air ou à eau. On retrouve également le fluide caloporteur, chargé de transporter la chaleur entre deux ou plusieurs sources de températures. Ces fluides interviennent dans les échangeurs de chaleur propres à l’habitat des particuliers, avec le radiateur électrique à inertie par exemple. Le fluide caloriporteur intervient également dans tout type de procédé industriel. Il sert à maintenir en température des bacs de stockage ou à chauffer des équipements notamment.