Lois de transfert de chaleur, formes de transmission, exemples

Ça existe transfert de chaleur Lorsque l'énergie passe d'un corps à l'autre en raison de la différence de température entre les deux. Le processus de transfert de chaleur cesse dès que les températures des corps en contact sont égalisées ou lorsque le contact entre eux est supprimé.

La quantité d'énergie transférée d'un corps à l'autre dans une certaine période est appelée Chaleur transférée. Un corps peut donner de la chaleur à un autre, ou il peut l'absorber, mais la chaleur passe toujours du corps la plus haute température à la température la plus basse.

Figure 1. Dans un feu de joie, les trois mécanismes de transfert de chaleur sont donnés: conduite, convection et rayonnement. Source: Pixabay.

Les unités de chaleur sont les mêmes que celles de l'énergie et dans le système international de mesures (SI) est le Joule (J). Les autres unités de chaleur fréquemment utilisées sont les calories et BTU. 

Quant aux lois mathématiques qui régissent le transfert de chaleur, celles-ci dépendent du mécanisme qui intervient dans l'échange. 

Lorsque la chaleur est effectuée d'un corps à l'autre, la vitesse à laquelle la chaleur est échangée est proportionnelle à la différentiel de température. Ceci est connu comme le Loi de Fourier de conductivité thermique, ce qui conduit au Loi de refroidissement de Newton.

[TOC]

Mécanismes de transmission de chaleur /

Ce sont les façons dont la chaleur peut être échangée entre deux corps. Trois mécanismes sont reconnus:

-Conduite

-Convection

-Radiation

Dans un pot comme celui illustré dans la figure ci-dessus, il y a ces trois mécanismes de transfert de chaleur:

-Le métal du pot est principalement chauffé en conduisant.

-Chaleur d'eau et d'air et monte par convection.

-Les personnes proches du pot sont chauffées par le rayonnement émis.

Conduite

La conduction thermique se produit principalement en solides et en particulier dans les métaux.

Par exemple, la corne de cuisine transmet la chaleur des aliments à l'intérieur du pot à travers le mécanisme de conduite en métal et les murs métalliques du récipient. Dans la conduction thermique, il n'y a pas de transport de matériau, seulement de l'énergie.

Convection

Le mécanisme de convection est typique des liquides et des gaz. Presque toujours, ceux-ci sont moins denses à une température plus élevée, pour cette raison, il y a un transport de chaleur dans le sens ascendant du liquide le plus chaud aux régions élevées avec le fluide le plus froid. Dans le mécanisme de convection, il y a un transport matériel. 

Peut vous servir: équilibre instable: concept et exemples

Radiation

Pour sa part, le mécanisme de rayonnement permet un échange de chaleur entre deux corps même lorsqu'ils ne sont pas en contact. L'exemple immédiat est le soleil, qui chauffe la terre à travers l'espace vide entre les deux. 

Tous les corps émettent et absorbent le rayonnement électromagnétique. Si vous avez deux corps à des températures différentes, même dans le vide, après un certain temps, ils atteindront la même température en raison de l'échange calorique de rayonnement électromagnétique.

Vitesse de transfert calorique

Dans les systèmes thermodynamiques en équilibre, il importe la quantité de chaleur totale échangée avec l'environnement, de sorte que le système passe d'un équilibre à un autre.

D'un autre côté, le transfert de chaleur, l'intérêt se concentre sur le phénomène transitoire, lorsque les systèmes n'ont pas encore atteint un équilibre thermique. Il est important de noter que la quantité de chaleur est échangée dans une certaine période, c'est-à-dire qu'il y a une vitesse de transfert de chaleur.

Exemples

- Exemples de conduite de chaleur

Dans la conductivité thermique, l'énergie thermique est transmise par des collisions entre les atomes et les molécules du matériau, que ce soit ce solide, liquide ou gaz. 

Les solides sont de meilleurs conducteurs de chaleur que les gaz et les liquides. Dans les métaux, il y a des électrons libres qui peuvent se déplacer autour du métal.

Comme les électrons libres ont une grande mobilité, ils sont capables de transmettre l'énergie cinétique par les collisions plus efficacement, de sorte que les métaux ont une conductivité thermique élevée.

Du point de vue macroscopique, la conductivité thermique est mesurée comme la quantité de chaleur transférée par unité de temps ou le courant calorique H:

Figure 2. Conduction thermique à travers un bar. Préparé par Fanny Zapata.

Le courant calorique H est proportionnel à la section transversale POUR et à la variation de température par unité de distance longitudinale.

La formule précédente est connue sous le nom Loi de Fourier et la proportionnalité constante k C'est la conductivité thermique. 

Cette équation est appliquée pour calculer le courant calorique H d'une barre comme celle de la figure 2, qui se situe entre deux réservoirs de température T₁ et T₂ respectivement, être T₁> T₂.

Conductivités thermiques des matériaux

Ci-dessous, il y a une liste de la conductivité thermique de certains matériaux WATT sur Kelvin: w / (m . K) 

Peut vous servir: Galileo Galilei et sa loi sur les chutes libres

Aluminium -205

Cuivre -385

Argent --400

Acier -50

Bouchon ou fibre de verre - 0,04

Béton ou verre -0,8

Bois - 0,05 à 0,015

Air - 0,024

- Exemples de chaleur par convection

En convection de chaleur, l'énergie est transférée en raison du mouvement du liquide, qui, à différentes températures, a des densités différentes. Par exemple, lors de l'eau bouillante dans une casserole, l'eau près du fond augmente sa température, donc il se dilate.

Cette dilatation provoque une augmentation de l'eau chaude, tandis que le froid bas pour occuper l'espace laissé par l'eau chaude qui a grimpé. Le résultat est un mouvement de circulation qui se poursuit jusqu'à ce que les températures de tous les niveaux soient égales.

La convection est celle qui détermine le mouvement des grandes masses d'air de l'atmosphère terrestre et détermine également la circulation des courants marins.

- Exemples de chaleur par rayonnement

Dans les mécanismes de transmission de chaleur par conduction et convection, la présence d'un matériau est nécessaire pour que la chaleur soit transmise. D'un autre côté, dans le mécanisme de rayonnement, la chaleur peut passer d'un corps à l'autre à travers le vide.

C'est le mécanisme par lequel le soleil, à une température plus élevée que la Terre, transmet l'énergie à notre planète directement par le vide de l'espace. Le rayonnement nous atteint par des ondes électromagnétiques.

Tous les matériaux sont capables d'émettre et d'absorber le rayonnement électromagnétique. La fréquence maximale émise ou absorbée dépend de la température du matériau et de cette fréquence augmente avec la température.

La longueur d'onde prédominante dans le spectre d'émission ou d'absorption d'un corps noir suit le Loi de Wien, qui établit que la longueur d'onde prédominante est proportionnelle à l'inverse de la température corporelle.

D'un autre côté, la puissance (en watts) avec laquelle un corps émet ou absorbe l'énergie calorique par le rayonnement électromagnétique est proportionnelle à la quatrième puissance de la température absolue. Ceci est connu comme le Droit de Stefan:

P = εaσt⁴

Dans l'expression précédente σ C'est la constante de Stefan et sa valeur est de 5,67 x 10-8 W / M² K⁴. POUR C'est la zone de la surface du corps et ε C'est l'émissivité du matériau, une constante sans dimensions dont la valeur est comprise entre 0 et 1, et dépend du matériau.

Peut vous servir: processus isobare: formules, équations, expériences, exercices

Exercice résolu

Considérez la barre de la figure 2. Supposons que la barre mesure un rayon de 5 cm de long, 1 cm et qu'il est cuivre.

La barre est placée entre deux murs qui maintiennent sa température constante. Le premier mur a une température T1 = 100ºC, tandis que l'autre est à T2 = 20ºC. Déterminer:

pour.- La valeur du courant thermique h

b.- La température de la barre de cuivre à 2 cm, 3 cm et 4 cm de la paroi de température T1.

Solution à

Comme la barre de cuivre est placée entre deux murs dont les murs maintiennent la même température à tout moment, on peut dire qu'il se trouve dans le régime stationnaire. C'est-à-dire que le courant thermique H a la même valeur pour tout instant.

Pour calculer ce courant, nous appliquons la formule qui relie le courant H à la différence de température et à la longueur de la barre.

Comme la barre est en cuivre, nous savons dans le tableau précédemment montré que sa conductivité thermique k bon: 385 w / (m k).

La section transversale est:

A = πr² = 3,14 * (1 × 10^-2m)² = 3,14 x 10^-4 m²

La différence de température entre les extrémités de la barre est

Δt = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x 10^-2 m

H = 385 W / (M K) * 3,14 x 10^-4 m² * (80K / 5 x 10^-2 m) = 193,4 W

Ce courant est le même à tout moment de la barre et à tout moment, car le régime stationnaire a été atteint.

Solution B

Dans cette partie, on nous demande de calculer la température Tp à un moment donné P Situé à distance Xp Concernant le mur T₁.

L'expression qui donne le courant calorique H Sur le point P est:

H = k a (t₁ -Tp) / (xp)

De cette expression, il peut être calculé Tp à travers:

Tp = t₁ - (H xp) / (k a) = 373 k - (193.4 w / (385 w / (m k) 3,14 x 10^-4 m²)) * Xp

Tp = 373 K - 1620,4 (k / m) * xp

Calculons la température Tp Dans les positions de 2 cm, 3 cm et 4 cm respectivement, en remplacement des valeurs numériques:

• Tp = 340,6k = 67,6 ºC; 2 cm de T1
• Tp = 324,4k = 51,4 ºC; 3 cm de T1
• Tp = 308,2k = 35,2 ºC; 4 cm de T1

Les références

1. Figueroa, D. 2005. Série: Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 5. Fluides et thermodynamique. Édité par Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Physique: un regard sur le monde. 6e édition abrégée. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. Physique générale pour les ingénieurs. Usach.
4. Mott, R. 2006. Mécanique des fluides. 4e. Édition. Pearson Education. 
5. Strangeways, je. 2003. Mesurer l'environnement naturel. 2e. Édition. la presse de l'Universite de Cambridge.
6. Wikipédia. Conductivité thermique. Récupéré de: est.Wikipédia.com