Le principe thermique

Le thermique est la branche de la physique qui traite des échanges de chaleur accompagnés ou non d'échanges de masse et de changement de phases. Elle peut donc être considérée comme partie intégrante de la thermodynamique des phénomènes irréversibles puisque, pour avoir l'échange de chaleur entre différentes parties du système, il est nécessaire que ce système soit en dehors de l'équilibre thermodynamique.

Il a fallu longtemps pour que l'on puisse distinguer entre les divers types d'échanges de chaleur et les classer en rayonnement, conduction, convection naturelle et convection forcée.

D'ailleurs na parle-t-on pas encore de "radiateurs" de chauffage central ou d'automobile, bien qu'une partie importante du flux de chaleur soit transmise à l'atmosphère par convection naturelle dans le premier cas et par convection forcée dans le second ?

 

Le phénomène de la conduction de la chaleur existe dans tous les corps, solides ou liquides, bien que pour ces derniers, le transfert d'enthalpie dû à la présence d'un écoulement ait tendance à masquer le phénomène de conduction. Celui-ci se traduit par une élévation de température de proche en proche qui, pour les solides, correspond à un accroissement de l'énergie de vibration du réseau cristallin, et pour les fluides, à une transmission d'énergie cinétique opérée par les chocs entre les molécules.

Dans les fluides l'existence d'un champ de température non uniforme modifie localement la masse volumique de ces fluides et entraine, dans un champ de forces volumiques ( pesanteur, force centrifuge), des mouvements dits de convection naturelle.

Ces mouvements ont été étudiés pour la première fois entre deux plaques horizontales à températures différentes. Ils existent également dans des couches limites au voisinage de corps chauffés ou refroidis et impliquant un transport de chaleur plus important que la simple conduction.

Si le fluide calo-porteur est entrainé artificiellement, le flux de chaleur, dit de convection forcée, augmentera avec la vitesse de ce fluide, et les gradients de température seront plus élevés dans une couche thermique limite analogue à la couche limite dynamique.

Si la vitesse d'entrainement n'est pas très élevée, les deux processus de convection naturelle et de convection forcée peuvent coexister: c'est la convection mixte.

 

LA CONVECTION NATURELLE

 

La convection naturelle ( ou libre) est le transport de chaleur dû à des mouvements de fluide provoqués par un champ de pesanteur ( ou de force centrifuge). On distingue entre convection naturelle interne, qui a lieu dans une enceinte fermée à paroi non isotherme, et convection naturelle externe, qui se produit au voisinage des parois d'un corps dont la température est différente de celle de l'ambiance.

 

La convection interne prend naissance lorsque des perturbations du champ de températures correspondant à un régime de conduction pure croissant au lieu de s'amortir. Cela se produit pour une certaine valeur critique d'un nombre sans dimensions, le nombre de Rayleigh. Par exemple, pour l'espace compris entre deux plaques horizontales isothermes, si la plaque inférieure est plus chaude, le nombre de Rayleigh critique est égal à 1708.

Lorsque le nombre de Rayleigh est supérieur à sa valeur critique, le flux de chaleur qui traverse l'enceinte est supérieur à celui qu'on aurait eu par conduction seule, et le rapport des deux flux croit en fonction du nombre de Rayleigh. Cette augmentation de flux est due à la présence de tourbillons en rouleaux polyédriques (tourbillons de Bernard).

 

La convection externe se produit au voisinage d'un objet à température différente de l'ambiance. Le champ de températures provoqué par la conduction entraine une poussée d'Archimède qui met en mouvement vers le haut les parties les plus chaudes du fluide. En régime permanent, le transfert de chaleur s'effectue donc à la fois par conduction et par transport d'enthalpie.

Le flux de chaleur à partir du corps chauffé ( ou refroidi) est sous la dépendance de deux nombres sans dimensions, le nombre de Grashof, et le nombre de Prandtl. Lorsque le nombre de Prandtl est assez grand est assez grand ( comme dans les huiles), le flux de chaleur ne dépend que du produit Gr*Pr=Ra , ou Gr représente le nombre de Grashof, Pr le nombre de Prandtl, et Ra le nombre de Rayleigh (convection interne); tandis que lorsque le nombre de Prandtl est assez petit ( comme dans les métaux liquides), le flux ne dépend plus que du produit Gr*Pr2.

Si le nombre de Grashof est suffisamment important, les variations les plus grandes de température et de vitesse ont lieu dans une zone située au voisinage immédiat du corps, qui constitue une couche limite de convection naturelle. Cette couche limite, orientée vers le haut ( ou vers le bas) si le corps est chauffé (ou refroidi), peut être laminaire ou turbulente.

 

 

CONVECTION FORCEE 

 

Commentaires (1)

1. betonboxing (site web) 20/08/2012

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