Thermique

Les grandeurs thermiques

Énergie thermique

 

Puissance thermique

Le flux thermique surfacique (ou densité de flux thermique) \(\varphi\) [W.m^-2]
est le flux thermique par unité de surface.

À travers une surface \(S\) :

\(\varphi=\frac{\Phi}{S}\)

 

Température

\(T\) (Kelvin K)

\(\bbox[5px, border:1px solid black]{\large{0\;\text{°C}=273,15\;\text{K}}}\)

 

 

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Fonctions de la chaîne de puissance

Dans le domaine thermique …

Stocker

Matière (énergie interne) : caractérisée par la capacité thermique d’un corps \(C\) [J.K^-1],
ou la capacité thermique massique (appelée aussi chaleur spécifique) \(c\) [J.kg^-1.K^-1] d’un matériau.

\(\Delta Q=C\cdot\Delta T\)

La capacité thermique d’un corps est une grandeur qui mesure la chaleur qu’il faut lui transférer pour augmenter sa température de 1 kelvin.
Inversement, elle permet de quantifier la possibilité qu’a ce corps d’absorber ou de restituer de la chaleur quand sa température varie.

 

 

Convertir

Effet joule (résistance électrique) : énergie électrique → énergie thermique

Puissance : \(\bbox[#FAC,5px, border:2px solid black]{\large{\Phi=P_{\text{électrique}}=R\times i^2}}\)

Applications : radiateur, four, grille pain, …

 

Effet thermoélectrique (module Peltier) : énergie électrique ↔ énergie thermique

Puissances :

Puissance thermique prélevée : \(\Phi_f=S_m\cdot T_f\cdot i\)

Puissance thermique prélevée : \(\Phi_c=S_m\cdot T_c\cdot i\)

avec :

• \(S_m\) : coefficient d’effet Seebeck
• \(R\) : résistance électrique du module

 

• énergie électrique → énergie thermique (refroidissement) : \(\Phi_f=\Phi_c-R\cdot i^2\)
• énergie thermique → énergie électrique (récupération d’énergie) : \(u\cdot i=\Phi_f-\Phi_c\)

 

Applications : glacières électriques, refroidisseur de microprocesseurs, …

 

Frottement mécanique : énergie mécanique → énergie thermique

Puissances :

en translation : \(\Phi=P_{\text{mécanique}}=F_f\times V\)

en rotation : \(\Phi=P_{\text{mécanique}}=C_f\times \omega\)

Application : freinage, …

 

Réaction chimique (combustion ou autres réactions exothermiques)

…

 

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Les processus de transfert de la chaleur

Conduction

Transmission de la chaleur dans un matériau par agitation thermique de ses atomes (pas de mouvement de matière).

Exemple : barre chauffée à une de ses extrémités

 

Cas d’une paroi :

\(\bbox[#FAC,5px, border:2px solid black]{\large{\Phi_{1\to 2}=\lambda \frac{S}{e}\left(T_1-T_2\right)}}\)

avec :

• • \(S\) : surface de la paroi [m²]
  • \(e\) : épaisseur de la paroi [m]
  • \(\lambda\) : conductivité thermique (propre au matériau) [W.m^-1.K^-1]

 

 

 

Convection

Transmission de la chaleur dans un fluide (liquide ou gaz) par déplacement de matière.

Cas d’une paroi :

Air à la température \(T_1\) contre paroi à la température \(T_2\)

\(\bbox[#FAC,5px, border:2px solid black]{\large{\Phi_{1\to 2}=h\;S\left(T_1-T_2\right)}}\)

avec :

• • \(S\) : surface de l’échange [m²]
  • \(h\) : coefficient de convection thermique (dépend de l’orientation de la paroi, de l’agitation du fluide, …) [J.m^-2.K^-1]

 

 

Rayonnement

Quelle que soit sa température, un corps émet un rayonnement électromagnétique, plus ou moins intense selon cette température. Ce rayonnement donne lieu à un transfert de chaleur.

Émission

Le flux thermique surfacique \(\varphi\) émit par un corps est proportionnel à sa température à la puissance 4.

\(\varphi=\epsilon\sigma T^4\)

avec :

• • \(\sigma\) : constante de Stefan-Boltzmann (\(5,67\cdot 10^{-8}\) W.m^-2.K^-4)
  • \(\epsilon\) : émissivité du corps (de 0 à 1 pour un corps noir)
  • \(T\) : température du corps [K]

 

Absorption, réflexion-diffusion

…

 

Sources : https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/bilan-radiatif-terre1.xml