Bibliographie & annexes
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Auteur(s)
-
Alain DEGIOVANNI : Ingénieur de l’Institut national des sciences appliquées de Lyon - Directeur de l’École européenne d’ingénieurs en Génie des matériaux (EEIGM)
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Le transfert de chaleur ou, pour employer l’expression actuelle, le transfert d’énergie thermique est une transmission de cette énergie d’une région à une autre, sous l’influence d’une différence de température.
On reconnaît classiquement trois modes de transmission : la conduction, le rayonnement et la convection.
Cependant, il ne faudrait pas oublier les cas de transfert entre deux phases d’un même corps (solide-liquide et liquide-vapeur, par exemple). Des puits ou des sources d’énergie sont alors créés sans variation de température sous l’influence de l’évolution, dans le temps, des masses respectives de ces deux phases.
Bien que cet aspect puisse se ramener à un cas particulier de conduction avec variation dans le temps des limites géométriques des phases, nous ne le traiterons pas ici et renvoyons le lecteur aux articles « Transferts de chaleur associés à l’ébullition ou à la condensation » et « Transferts par changement d’état solide-liquide » du présent traité.
Dans le mode conductif, la chaleur diffuse de proche en proche d’une particule à l’autre par chocs ; ce mode nécessite donc la présence de matière mais sans déplacement macroscopique de celle-ci.
Dans les corps solides soit totalement opaques, soit totalement transparents au rayonnement, c’est le seul mode de transmission.
Dans les corps solides semi-transparents, rayonnement et conduction interviennent (cf. article « Rayonnement thermique des matériaux semi-transparents » dans ce traité).
Dans les fluides déformables, cette distinction subsiste, mais il s’y ajoute dans tous les cas un transfert convectif par déplacement relatif des différentes parties non isothermes de ce fluide les unes par rapport aux autres (cf. article « Notions de transfert thermique par convection » dans ce traité).
À l’échelle microscopique, le problème conductif est très complexe et nous ne l’envisagerons pas ici. Nous nous plaçons dans l’hypothèse des milieux continus.
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Application : conduction unidirectionnelle
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1. Établissement des lois fondamentales
Pour les notations et symboles, se reporter en fin d’article.
L’effet macroscopique observable est une égalisation des températures ; cependant, si certaines zones sont maintenues à températures constantes par apport (sources de chaleur) ou évacuation de chaleur (puits de chaleur), il s’établit une diffusion continue de la chaleur de la région chaude à la région froide. D’où le problème : ayant défini un système matériel par sa géométrie et ses caractéristiques thermophysiques, ainsi que les sources de chaleur éventuelles et les interactions avec le milieu extérieur, nous recherchons le champ de température et son évolution avec le temps.
1.1 Définitions générales
Flux thermique à travers une surface (φ en W)
C’est la quantité de chaleur (Q en J) qui traverse la surface pendant l’unité de temps.
Densité de flux thermique (ϕ en W · m−2)
C’est la quantité de chaleur qui traverse la surface unité pendant l’unité de temps ; c’est le flux par unité de surface.
On peut également définir le vecteur densité de flux en tout point ϕ :
avec n normale à la surface dS.
ϕ caractérise en chaque point M du milieu la direction, le sens et l’intensité du flux thermique (figure 1). L’ensemble des ϕ constitue un champ de vecteurs analogue aux autres champs physiques : champs électriques, champs de forces, etc.
Lignes de courant et tubes de courant
Les lignes de courant sont les courbes tangentes en chaque point aux vecteurs densité de flux ϕ ; l’ensemble des lignes s’appuyant sur un contour fermé constitue un tube de courant.
Surfaces isothermes
Le lieu des points ayant même température à un instant donné est une surface isotherme.
Sources internes (p en W · m−3)
Une source interne est définie par la puissance p qu’elle fournit par unité de volume.
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Établissement des lois fondamentales
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CARSLAW (H.-S.), JAEGER (J.-C.) - Conduction of heat in solid. - 2e Édition Oxford (1959). Clarendon Press.
-
(2) - LUIKOV - Analytical heat diffusion theory. - New York and London (1968). Academic Press.
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(3) - DE VRIENDT (A.-B.) - La transmission de la chaleur. - Gaetan MORIN Éditeur (1984).
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(4) - GRIGULL (U.), SANDNER (H.) - Heat conduction. - Springer Verlag (1984).
-
(5) - CHAPMAN (A.) - Heat transfer. - 3e Édition. London 1974. Collier Mc MILLAN Int. Édition.
-
(6) - TAINE (J.), PETIT (J.-P.) - Thermique. - Dunod (1989).
-
(7) - GOSSE (J.) - Guide...
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