INTRODUCTION GENERALE

 
 
 
 
 
 

I. DEFINITION

 
 
 
 
 

On appelle «transfert de chaleur» le déplacement de la chaleur d'une région à une autre suite à une différence de température.

En effet, on sait qu'à chaque fois qu'il existe une différence de température, entre deux corps en contact (solide - solide, solide - fluide ou fluide - fluide) ou entre deux parties d'un même corps, elle tend à disparaître  spontanément  par échange de chaleur jusqu'à égalisation des températures.

 
Le déplacement de la chaleur est un processus au cours duquel l'énergie interne du système change et, dans une étude de transfert de chaleur, ce sont  les effets  produits  par les échanges d'énergie qui nous intéressent, à savoir :
          - le flux thermique transmis.
          - la répartition de température à l'intérieur du milieu considéré.
 
Les phénomènes ou modes de transmission de chaleur sont classés en trois catégories, qui sont : La conduction, la convection et le rayonnement thermique.
 
Nous allons étudier ces trois mécanismes séparément  mais dans la réalité et dans la plupart des cas  ils agissent simultanément avec des importances relatives différentes.

II.LES MODES DE TRANSMISSION DE CHALEUR

 
a. La conduction.
C'est le transfert de chaleur des parties chaudes vers des parties plus froides, d'un même corps ou de deux corps en contact, sans mouvement apparent de matière.
Autrement dit, on parle de «Conduction» lorsque la chaleur crée en une région d'un milieu matériel se répand dans ce milieu, s'écoulant dans le sens des températures décroissantes, sans qu'il y ait déplacement de la matière.
 
Le déplacement de la chaleur par conduction peut avoir lieu dans les solides et les fluides. Cependant, c'est le seul mécanisme par lequel la chaleur peut se déplacer dans les solides opaques.
 
A l'échelle microscopique, en conduction, la chaleur est transmise par contact direct des molécules (sans déplacement appréciable de ces dernières) lorsqu'il s'agit d'un fluide ou par diffusion des électrons lorsqu'il s'agit d'un solide.
 
   Exemple : Lors de l'échauffement de la queue d'une casserole, on constate que la température est régulièrement décroissante de l'extrémité chaude à l'extrémité froide : la chaleur se propage dans la queue sans déplacement de  matière.
 
Remarque :
Notons que le phénomène de conduction thermique est comparable à celui de la conduction électrique.
 
b. La convection.
De façon générale, la convection est le transport d'une grandeur physique, d'un point à un autre d'un fluide, par mouvement d'ensemble de ses molécules.
 
En transfert de chaleur, dans le cas des fluides, les différences de températures entraînent des différences de densités et donc un mouvement des particules du fluide. 
Ce mouvement a pour effet de véhiculer la chaleur à l'intérieur du fluide et d'égaliser les températures par substitution réciproque des molécules froides à des molécules chaudes : C'est ce phénomène qu'on appelle la convection. Le mouvement des particules du fluide est appelé : mouvement convectif.
 
Les phénomènes de convection interviennent à chaque fois qu'un fluide se déplace par rapport à des éléments fixes (murs, plaques, parois de tubes, etc.) à des températures différentes de celle du fluide ou lorsque deux fluides à des températures différentes sont mis en contact.
 
   Exemple: Pour illustrer le problème du transfert de chaleur par convection, considérons le cas d'un fluide qui s'écoule le long d'une paroi solide « Cas des radiateurs ».
Ce processus se fait normalement en trois étapes. Si la température de la paroi est supérieure à celle du fluide :
-          La chaleur s'écoule d'abord par conduction du solide vers les particules fluides situées à proximité de la paroi.
-          L'énergie ainsi transmise accroît l'énergie interne du fluide et se trouve entraînée par le mouvement du fluide.
 -    Lorsque les particules du  fluide chaud atteignent une région de basse température, la chaleur est  de nouveau transmise par conduction du fluide chaud vers le fluide  froid.
En conséquence, la transmission de chaleur par convection met en jeu simultanément la conduction  et le transport du fluide, c'est pour cela qu'on dit souvent que la convection n'est pas un procédé de transfert de chaleur.
 
Bien que la convection soit le phénomène le plus courant, il reste le plus mal connu ; car en réalité, ce mécanisme n'obéit pas tout à fait à la définition de transfert de chaleur. En effet, nous venons de voir dans l'exemple précédent que le transfert de chaleur par convection fait intervenir à la fois la conduction et le transport du fluide, par conséquent la résolution des problèmes de transfert de chaleur par convection doit passer inévitablement par celle de la dynamique du fluide (le transfert thermique est intimement lié au déplacement des particules fluides).
 
Nous avons vu dans le paragraphe (2.a) que la conduction peut s'observer non seulement dans les solides mais également dans les fluides (liquides et gaz) et que dans les solides opaques ce mécanisme est prédominant.
La convection, par contre, n'est possible que dans  un milieu fluide (elle ne peut pas avoir lieu dans les solides puisqu'elle est liée au déplacement de la matière). En plus, dans un fluide la transmission de chaleur par convection masque celle par conduction. En effet, dans le cas des fluides, la transmission de la chaleur est assurée principalement par le mouvement des particules.
 
Comme pour la conduction, au cours des phénomènes d'échange de chaleur par convection, il ne se  produit pas de transformation d'énergie.
 
* Convection naturelle et convection forcée.
L'échange de chaleur par convection dépend des conditions imposées par le milieu extérieur, ainsi :
- Si le mouvement des masses fluides, responsables du transfert de la chaleur, est provoqué par des différences de densités provenant elles mêmes de différences de températures à l'intérieur du fluide,  on parle de convection libre ou naturelle.
- Si le mouvement est crée par une action extérieure (ventilateurs, pompes pour les liquides, mouvement d'un véhicule, etc.), on dit que la convection est forcée.
 
Remarque :
L'échange de chaleur par convection peut s'accompagner d'un changement d'état physique (ébullition et condensation).
 
* Régimes laminaire et turbulent.
L'expérience de Reynolds relative à l'écoulement d'un fluide dans un conduit a permis de mettre en évidence l'existence de deux régimes d'écoulements : le régime laminaire et le régime turbulent.
Et puisque la transmission de chaleur par convection est intimement liée à la dynamique du fluide, donc, dans une étude de transfert de chaleur, il est important de tenir compte de cet aspect du problème. Les définitions des mécanismes de transfert de chaleur par convection laminaire et turbulente  sont les suivantes :
 
* Le mécanisme de transfert de chaleur par convection laminaire : En régime laminaire, chaque particule du fluide suit une ligne unie et continue (les particules se déplacent en lames   parallèlement à la paroi). Par conséquent, le transfert de chaleur s'effectue par conduction moléculaire aussi bien à l'intérieur qu'à l'interface entre fluide et paroi.
 
* Le mécanisme de transfert de chaleur par convection turbulente : Dans ce cas, le transfert de chaleur est favorisé par des mouvements tourbillonnaires et désordonnées des particules qui en se mélangeant avec d'autres particules plus froides jouent le rôle de porteuses d'énergie.
Par conséquent, un accroissement de la turbulence conduit à une augmentation de la quantité de chaleur s'écoulant  par convection.
C'est l'étude hydrodynamique qui permet d'établir si le mouvement du fluide est laminaire ou turbulent.
 
Remarque :
Les écoulements laminaires correspondent à des vitesses d'écoulement et à des coefficients de transmission relativement faibles (voir plus loin); les échanges de chaleur sont donc le plus souvent caractérisés par des régimes d'écoulements turbulents.
Les régimes laminaires trouvent, cependant, des applications dans certains cas :
- lorsque les fluides présentent une viscosité très importante (comme les huiles par exemple) afin de réduire les puissances de pompage.
- dans l'écoulement des gaz à très haute température (où les densités sont faibles).
- dans les échangeurs compacts.
- dans l'industrie nucléaire lorsqu'on utilise des métaux liquides pour lesquels la conductivité thermique est élevée.
 
c. Le rayonnement thermique.
Le mécanisme de transmission de chaleur par rayonnement est différent des deux autres mécanismes. En effet, c'est à la suite de deux transformations successives d'énergie que la chaleur passe d'un corps à un autre et, l'énergie échangée est transportée par des ondes électromagnétiques.
Pour comprendre le principe de ce mécanisme, nous allons étudier l'échange de chaleur par rayonnement entre deux corps séparés dans l'espace. L'analyse du problème montre que ce mécanisme comporte trois phases distinctes :
 A. La Conduction.
a. La loi de Fourrier ou loi fondamentale de la conduction (proposée par J.B.J.FOURIER en 1822).
 
Enoncé de la loi : Si on considère un milieu homogène ayant une section d'aire dS à travers  laquelle s'écoule de la chaleur par conduction, le flux thermique, traversant la section S considérée.
                                                                                                                  
L'unité de mesure du flux thermique est le Watt (W).
          
λ est la conductivité thermique du matériau. Elle dépend généralement de la température (Unité de mesure en S.I : W/m.K).

La conductivité thermique est élevée pour les conducteurs et faible pour les isolants. est  le gradient de température suivant la normale.                                                                       


Le signe ( - ) est introduit parce que le gradient de température selon Ox  est négatif, la chaleur s'écoule des régions à températures élevées vers les régions à températures faibles.
 
La loi de Fourier est une loi empirique basée sur des observations expérimentales et comme nous allons le voir plus loin, elle est valable aussi bien pour le régime non stationnaire que pour le régime stationnaire, puisque aucune hypothèse n'a été faite sur la variation de la température en fonction du temps.