Transfert de chaleur à conduite (avec des exemples)

La Transfert de chaleur à conduite Il se compose du passage ou du flux d'énergie entre deux corps à une température différente, lorsqu'ils entrent en contact. Les coulées de chaleur du plus chaud au plus froid, jusqu'à ce que les deux soient à la même température. On dit alors que le système a atteint un équilibre thermique.

Il s'agit d'un mécanisme de transmission de chaleur fréquent dans les solides, bien qu'il se produise également à l'intérieur des étoiles qui sont normalement gazeuses. Cependant, les noyaux des étoiles avancées dans leur évolution sont suffisamment denses pour rendre ce mécanisme significatif.

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Mécanisme de conduite calorique

Le transfert de chaleur à conduite se produit par l'échange d'énergie entre les molécules, les atomes et les électrons. Alors que l'échange se produit, les particules les plus énergétiques donnent une partie de leur énergie à la moindre énergie grâce aux collisions qui se produisent entre elles.

La chaleur est transférée par la nourriture vers les aliments dans le wok, également les mangues des ustensiles sont protégées avec des matériaux isolants pour éviter les brûlures

Par exemple, dans une casserole qui va être mis en feu, toutes les particules du matériau oscillent avec une certaine amplitude. La flamme chauffe celles qui ont plus près, et celles-ci commencent à vibrer plus rapidement, augmentant leur largeur d'oscillation et gagnant de l'énergie.

Une partie de cette énergie est transmise aux molécules voisines, qui à leur tour augmentent leur largeur d'oscillation et acquièrent également de l'énergie progressive.  Et de ces particules, une partie de l'énergie se propage aux particules la plus loin de la flamme.

L'une des extrémités de la barre est chauffée et l'énergie est transférée entre les molécules jusqu'à atteindre l'autre extrémité. Source: Wikimedia Commons.

Les augmentations de l'amplitude de l'oscillation des particules se traduisent par une augmentation de la température, qui peut être ressentie avec votre main, si vous approchez suffisamment du métal de la casserole, y compris la poignée ou les poignées, donc ils sont toujours couverts d'un isolant, donc qu'ils peuvent être manipulés sans brûler.

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Maintenant, la vitesse du processus de conduite dépend du matériau, car certaines substances mènent beaucoup mieux que d'autres.

À cet égard, les métaux sont définitivement d'excellents conducteurs de chaleur et d'électricité. Ils sont meilleurs que le bois et les plastiques, car leurs atomes ont au moins un électron libre dans la couche la plus externe, qui peut se déplacer à travers le matériau et transporter de l'énergie avec eux.

Mais surprenant, le diamant est le meilleur conducteur thermique qui existe, bien qu'en raison de son prix, il n'y a pas d'autre alternative à se contenter des métaux en ce qui concerne les applications pratiques.

De nouvelles investigations indiquent qu'un bore et un composé d'arsenic sont peut-être aussi bons que le diamant pour tirer efficacement la chaleur.

Vitesse de conduite thermique

Pour savoir à quelle vitesse la chaleur se propage en conduisant, considérez une feuille de matériel large et de zone latérale pour. La face gauche est en contact avec une source de chaleur (en rouge) à la température t_H, Alors que l'autre face est adjacente à un objet plus froid, température t_c.

Une barre au milieu de deux sources à différentes températures. Les flux de chaleur entre les deux côtés de la source de température la plus élevée au plus froid. Source: Wikimedia Commons / F. Zapata.

La chaleur qui coule entre les faces, du côté le plus chaud au plus froid, à un temps Δt. Expérimentalement, il est constaté que le taux de change ou la vitesse à laquelle les flux de chaleur entre les faces sont proportionnels à:

-Zone a des visages.

-La différence de température Δt entre eux.

Et il est également inversement proportionnel à l'épaisseur de la plaque. Mathématiquement, il est exprimé comme suit:

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La constante de proportionnalité est appelée conductivité thermique k, donc:

La conductivité thermique est une caractéristique du matériau. Quant aux unités présentes, dans le système international qui est mesuré en Joules (J), ΔT en secondes (s), donc Q / ΔT reste en j / s qui équivaut à WAIOS (W). Dans ce cas, les unités de conductivité thermique sont w / m ∙ ºC, si la température est mesurée en degrés Celsius ou W / M ∙ K lors de l'utilisation de l'échelle absolue de Kelvin.

Les bons conducteurs thermiques ont des valeurs élevées de k, mettre en évidence les métaux et le diamant.

Puisque Q / ΔT est puissant, s'il est indiqué par P, c'est:

Conductivité thermique de certains matériaux

Ensuite, la conductivité thermique de certaines substances connues fréquemment utilisées, dans les unités du système international si w / m ∙ k:

-Diamant synthétique: 2000
-Argent: 429
-Or: 317
-Cuivre: 385
-Zinc: 116
-Tungstène: 174
-Air: 0.024

Exemples de transfert de chaleur à conduite

Le transfert de chaleur est présent à bien des égards de la vie quotidienne:

Ustensiles de cuisine

Les pots, les casseroles et en général les ustensiles de cuisson en métal comme l'acier, ont des mangues à isolation. Cela réduit le risque de brûlures lors de leur manipulation pendant qu'ils sont en contact avec la flamme ou le contenu est chaud.

Métal et bois

Lorsqu'un morceau de bois est tenu dans une main et un autre de métal dans l'autre, il est immédiatement remarqué que c'est plus froid au toucher. Les métaux, comme expliqué ci-dessus, sont de bons conducteurs de chaleur, donc la chaleur s'écoule plus rapidement de la main au métal que la main au bois.

De cette façon, le contact avec le métal refroidit plus rapidement la main de ceux qui le tiennent, et par conséquent il se sent plus froid que le bois, ce qui n'est pas si bon conducteur.

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Couvertures et couvertures

Les nouvelles couvertures se sentent plus réchauffées que les couvertures utilisées, et c'est parce que les nouveaux ont plus d'air à l'intérieur des fibres et des pores. Plus il y a d'air à l'intérieur, meilleur est une couverture, car l'air est un très bon isolant thermique.

Isolant pour les maisons

Dans de nombreuses régions du monde où il fait très froid en hiver, les maisons sont protégées avec des matériaux d'isolation thermique, de sorte que l'intérieur reste plus confortable.

Par exemple, il y a de la fibre de verre, qui contient des espaces d'air à l'intérieur, qui fonctionne comme un isolant thermique, empêchant la chaleur de s'échapper.

Pompes à chaleur

Les pompes à chaleur extraient la chaleur de la machine de conduite du feu à travers les conduits métalliques, des pièces surchauffées aux zones plus froides.

Dilatation thermique dans les métaux

Lorsqu'un objet métallique est chauffé, les particules constituantes oscillent avec une plus grande amplitude et la conséquence est que les dimensions de l'objet augmentent.

Conteneurs de matériaux isolants

Les conteneurs destinés à garder les aliments en bon état plus longtemps sont faits de matériaux isolants afin que la chaleur de l'extérieur ne décompose pas la nourriture.

Exercice résolu

La section transversale d'un bloc de cuivre a une zone de 20 cm² et 50 cm de longueur. L'un des côtés est à 0 ° C et l'autre à 100 º C. Calculez la vitesse à laquelle la chaleur est transmise.

Solution

L'équation précédemment déduite sera utilisée:

À partir de la liste du conducteur, le cuivre est k = 400 w / m ∙ k, et bien que les températures données dans l'énoncé soient en degrés Celsius, l'intervalle ΔT est le même sur les deux échelles:

Δt = 100 K

La longueur est l = 50 cm = 0.5m et la zone est a = 20 cm² = 0.002 m², Il reste pour remplacer les valeurs dans l'équation:

 Les références

1. Giambattista, un. 2010. La physique. 2e. Élégant. McGraw Hill.
2. Giancoli, D.  2006. Physique: principes avec applications. 6e. Ed Prentice Hall.
3. Hewitt, Paul. 2012. Sciences physiques conceptuelles. 5e. Élégant. Pearson.
4. Sears, Zemansky. 2016. Physique universitaire avec physique moderne. 14e. Élégant. Volume 1. Pearson.
5. SERAY, R., Jewett, J. 2008. Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 1. 7e. Élégant. Cengage Learning.
6. Tippens, P. 2011. Physique: concepts et applications. 7e édition. McGraw Hill.