Types de transfert de chaleur : coefficient de transfert de chaleur

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 10:27

Tout corps matériel a une caractéristique telle que la chaleur, qui peut augmenter et diminuer. La chaleur n'est pas une substance matérielle: faisant partie de l'énergie interne d'une substance, elle résulte du mouvement et de l'interaction des molécules. Étant donné que la chaleur de différentes substances peut différer, il existe un processus de transfert de chaleur d'une substance plus chaude à une substance avec moins de chaleur. Ce processus est appelé transfert de chaleur. Nous examinerons les principaux types de transfert de chaleur et les mécanismes de leur action dans cet article.

Détermination du transfert de chaleur

Le transfert de chaleur, ou le processus de transfert de température, peut se produire à la fois à l'intérieur de la matière et d'une substance à une autre. Dans le même temps, l'intensité du transfert de chaleur dépend largement des propriétés physiques de la matière, de la température des substances (si plusieurs substances participent au transfert de chaleur) et des lois de la physique. Le transfert de chaleur est un processus qui se déroule toujours unilatéralement. Le principe de base du transfert de chaleur est que le corps le plus chaud cède toujours de la chaleur à un objet dont la température est plus basse. Par exemple, lors du repassage des vêtements, un fer chauddonne de la chaleur au pantalon, et non l'inverse. Le transfert de chaleur est un phénomène dépendant du temps qui caractérise la distribution irréversible de la chaleur dans l'espace.

Mécanismes de transfert de chaleur

Les mécanismes d'interaction thermique des substances peuvent prendre différentes formes. Il existe trois types de transfert de chaleur dans la nature:

1. La conductivité thermique est un mécanisme de transfert de chaleur intermoléculaire d'une partie du corps à une autre ou à un autre objet. La propriété est basée sur l'inhomogénéité de la température dans les substances considérées.
2. Convection - échange de chaleur entre fluides (liquide, air).
3. L'action de rayonnement est le transfert de chaleur des corps chauffés et chauffés (sources) en raison de leur énergie sous forme d'ondes électromagnétiques à spectre constant.

Considérons plus en détail les types de transfert de chaleur répertoriés.

Conduction thermique

Le plus souvent, la conductivité thermique est observée dans les solides. Si, sous l'influence de facteurs quelconques, des zones de températures différentes apparaissent dans la même substance, l'énergie thermique d'une zone plus chaude passera à une zone froide. Dans certains cas, ce phénomène peut même être observé visuellement. Par exemple, si nous prenons une tige métallique, disons une aiguille, et la chauffons au feu, nous verrons après un certain temps comment l'énergie thermique est transférée à travers l'aiguille, formant une lueur dans une certaine zone. En même temps, dans un endroit où la température est plus élevée, la lueur est plus brillante et, à l'inverse, là où t est plus faible, elle est plus sombre. La conduction thermique peut également être observée entre deux corps (une tasse de thé chaud et une main)

L'intensité du transfert de flux de chaleur dépend de nombreux facteurs, dont le rapport a été révélé par le mathématicien français Fourier. Ces facteurs comprennent principalement le gradient de température (le rapport de la différence de température aux extrémités de la tige à la distance d'une extrémité à l'autre), la section transversale du corps et le coefficient de conductivité thermique (elle est différente pour toutes les substances, mais la plus élevée est observée dans les métaux). Le coefficient de conductivité thermique le plus significatif est observé dans le cuivre et l'aluminium. Il n'est pas surprenant que ces deux métaux soient plus souvent utilisés dans la fabrication de fils électriques. Suivant la loi de Fourier, le flux de chaleur peut être augmenté ou diminué en modifiant l'un de ces paramètres.

Types de transfert de chaleur par convection

La convection, caractéristique principalement des gaz et des liquides, a deux composantes: la conductivité thermique intermoléculaire et le mouvement (distribution) du milieu. Le mécanisme d'action de la convection se déroule comme suit: avec une augmentation de la température d'une substance fluide, ses molécules commencent à se déplacer plus activement et, en l'absence de restrictions spatiales, le volume de la substance augmente. La conséquence de ce processus sera une diminution de la densité de la substance et son mouvement ascendant. Un exemple frappant de convection est le mouvement de l'air chauffé par un radiateur d'une batterie vers le plafond.

Distinguer les types de transfert de chaleur par convection libre et forcée. Le transfert de chaleur et le mouvement de masse dans le type libre se produisent en raison de l'hétérogénéité de la substance, c'est-à-dire que le liquide chaud s'élève au-dessus du froid naturelsans être influencé par des forces extérieures (par exemple, chauffer une pièce avec le chauffage central). Avec la convection forcée, le mouvement de la masse se produit sous l'influence de forces extérieures, par exemple en remuant le thé avec une cuillère.

Transfert de chaleur par rayonnement

Le transfert de chaleur rayonnant ou radiatif peut se produire sans contact avec un autre objet ou substance, il est donc possible même dans un espace sans air (vide). Le transfert de chaleur radiatif est plus ou moins inhérent à tous les corps et se manifeste sous la forme d'ondes électromagnétiques à spectre continu. Le soleil en est un excellent exemple. Le mécanisme d'action est le suivant: le corps rayonne en permanence une certaine quantité de chaleur dans l'espace qui l'entoure. Lorsque cette énergie frappe un autre objet ou une autre substance, une partie est absorbée, la deuxième partie passe à travers et la troisième partie est réfléchie dans l'environnement. Tout objet peut à la fois émettre de la chaleur et absorber, tandis que les substances sombres sont capables d'absorber plus de chaleur que les claires.

Mécanismes combinés de transfert de chaleur

Dans la nature, les types de processus de transfert de chaleur sont rarement trouvés séparément. Beaucoup plus souvent, ils peuvent être vus ensemble. En thermodynamique, ces combinaisons ont même des noms, par exemple, conductivité thermique + convection est un transfert de chaleur convectif, et conductivité thermique + rayonnement thermique est appelé transfert de chaleur radiatif-conducteur. De plus, il existe des types combinés de transfert de chaleur tels que:

• Dissipation thermique -le mouvement de l'énergie thermique entre un gaz ou un liquide et un solide.
• Le transfert de chaleur est le transfert de t d'une matière à une autre à travers un obstacle mécanique.
• Le transfert de chaleur convectif-radiant est formé en combinant la convection et le rayonnement thermique.

Types de transfert de chaleur dans la nature (exemples)

Le transfert de chaleur dans la nature joue un rôle énorme et ne se limite pas au réchauffement du globe par les rayons du soleil. Les courants de convection étendus, tels que le mouvement des masses d'air, déterminent en grande partie le temps qu'il fait sur notre planète.

La conductivité thermique du noyau terrestre entraîne l'apparition de geysers et l'éruption de roches volcaniques. Ce ne sont là que quelques exemples de transfert de chaleur à l'échelle mondiale. Ensemble, ils forment les types de transfert de chaleur par convection et les types de transfert de chaleur par conduction radiative nécessaires au maintien de la vie sur notre planète.

L'utilisation du transfert de chaleur dans les activités anthropologiques

La chaleur est un composant important de presque tous les processus de production. Il est difficile de dire quel type d'échange de chaleur est le plus utilisé par l'homme dans l'économie nationale. Probablement les trois à la fois. Les processus de transfert de chaleur sont utilisés pour fondre les métaux, produisant une vaste gamme de produits allant des objets du quotidien aux engins spatiaux.

Les unités thermiques capables de convertir l'énergie thermique en puissance utile sont extrêmement importantes pour la civilisation. Parmiils peuvent être appelés essence, diesel, compresseur, turbine. Pour leur travail, ils utilisent différents types de transfert de chaleur.