Les échanges thermiques entre un système et l’extérieur peuvent se réaliser selon trois voies différentes : la conduction, la convection et le rayonnement.
I. Modes de transferts thermiques
La convection thermique est un transfert effectué grâce à un mouvement de matière dans les fluides. La matière se déplace des régions les plus chaudes vers les régions les plus froides.
La conduction thermique est un transfert ayant lieu entre deux corps à des températures différentes et en contact. Le transfert s’effectue de proche en proche grâce aux chocs incessants des molécules du corps le plus chaud vers le corps le plus froid. Il n’y a pas de déplacement de matière au cours de ce transfert.
Le rayonnement thermique est un transfert qui s’effectue sans contact, même dans le vide, porté par des rayonnements électromagnétiques (de longueurs d’onde comprises entre 0,1 μm et 100 μm). Il n’y a pas de déplacement de matière au cours de ce transfert.
II. Flux thermique et résistance thermique
On considère une paroi plane de surface S et d’épaisseur L, dont les deux faces sont à des températures différentes, notées T1 et T2.
Le flux thermique ΦQ est égal à l’énergie thermique traversant la paroi par seconde, de la face de température T1 vers la face de température T2.
Le flux thermique est d’autant plus faible en valeur absolue que la résistance thermique de la paroi est grande. Pour un matériau isolant thermique, on recherche la plus grande résistance thermique.
Si T2 > T1 alors ΦQ < 0 : l’énergie thermique est transférée de la paroi de température T2 vers celle de température T1.
Si T2 < T1 alors ΦQ > 0 : l’énergie thermique est transférée de la paroi de température T1 vers celle de température T2.
À noter
L’énergie thermique est toujours transférée du corps le plus chaud vers le corps le plus froid.
La résistance thermique dépend à la fois de la valeur de la surface S, de l’épaisseur L et de la nature du matériau de la paroi.
Méthode
Exploiter la relation entre le flux thermique et l’écart de température
On place une paroi de largeur L = 3,6 cm et de surface S = 2,0 m2 entre deux thermostats aux températures respectives t1 = 20 °C et t2 = 40 °C.
La résistance thermique Rth de la paroi est égale à 20 K · W−1.
a. Calculer la valeur du flux thermique ΦQ.
b. Déterminer la température t2 de la paroi en degrés Celsius, dans le cas où le flux thermique ΦQ à travers cette paroi est égal à 2,5 W.
c. La résistance thermique a pour expression : Rth=Lλ×S avec L en mètres, S en mètres carrés et λ en W · K−1 · m−1. Déterminer la valeur de la conductivité thermique λ du matériau composant la paroi.
Conseils
a. Rappelez-vous que la différence entre deux températures est la même, que les températures soient en kelvins ou en degrés Celsius.
b. Utilisez la relation entre le flux thermique et la différence de température afin d’isoler la température thermodynamique T2 en kelvins. Pour trouver t2 en degrés Celsius, utilisez la relation : T (K) = t (°C) + 273.
c. Pensez à réaliser les conversions d’unité adéquates.
Solution
a. Calculons le flux thermique :
b. On a :
T2=243 K
c. On isole la conductivité thermique à partir de la formule donnée de la résistance thermique :
On calcule la conductivité thermique du matériau :