par Mohamed Chaker ZAGHDOUDI

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1 par Mohamed Chaker ZAGHDOUDI
Cours de THERMIQUE par Mohamed Chaker ZAGHDOUDI GENERALITES Séance N°1

2 Sommaire Présentation du cours Sources documentaires
Grandeurs physiques fondamentales en Thermique Les 3 modes de transfert de chaleur

3 1 Présentation du Cours

4 Thèmes 1 - Introduction et Généralités (1 séance)
13 séances de Cours et TD (M.C. ZAGHDOUDI) 4 TP (S. MAALEJ et M. SASSI) Thèmes 1 - Introduction et Généralités (1 séance) 2 - La conduction thermique (4 séances) 3 - La convection thermique (3 séances) 4 - Les échangeurs de chaleur (2 séances) 5 - Le rayonnement thermique (3 séances)

5 Sources Documentaires
2 Sources Documentaires

6 Carslaw H.S., Jaeger J.C.,« Conduction of heat in solids », Second Edition, Oxford Cormault, P. « Cours de thermique théorique et pratique », ESME, 2ème Edition, De Vriendt A.B., « La transmission de chaleur », Troisième Edition, Gaëten Morin, Gosse J. ,« Guide technique de thermique », Dunod, Hladik J., « Métrologie des propriétés thermophysiques des matériaux », Masson, Holman J.P.,« Heat transfer », seventh edition, Mac Graw Hill, Jannot, Y. “Transferts thermiques”, Lallemand M. “Echangeurs thermiques”, cours de l’INSA de Lyon, Martinet J. “Thermocinétique (conduction de la chaleur)”, Lavoisier, Özisik M. N. ,« Heat conduction », John Wiley & Sons, Inc., Carslaw H.S., Jaeger J.C.,« Conduction of heat in solids », Second Edition, Oxford Cormault, P. « Cours de thermique théorique et pratique », ESME, 2ème Edition, De Vriendt A.B., « La transmission de chaleur », Troisième Edition, Gaëten Morin, Gosse J. ,« Guide technique de thermique », Dunod, Radhouani, M.S. “Transferts thermiques », Centre de Publication Universitaire, 2001 Rohsenow W. M., Hartnett J. P., Ganic E. N., « Handbook of heat transfer fundamentals », Mac Graw Hill, Sacudura J.F., « Initiation aux transferts thermiques », Technique et documentation, Lavoisier, Sacadura J.F., « Cours de thermique industrielle – les transferts de chaleur par rayonnement : application à la modélisation des fours, chaudières, congélateurs… », Cours de l’INSA de Lyon Siegel R., Howell J. R.,« Thermal radiation heat transfer », Spiegel M. R.,« Transformées de Laplace, cours et problèmes », Schaum, Sparrow E.M., Cess R.D., « Radiation heat transfer », Mac Graw Hill, Taine J., Petit J.-P.,« Transferts thermiques, cours et données de base », Dunod, 1995.

7 Grandeurs Physiques Fondamentales en Thermique
3 Grandeurs Physiques Fondamentales en Thermique

8 La Thermique La thermodynamique permet de prévoir la quantité totale d’énergie qu’un système doit échanger avec l’extérieur pour passer d’un état d’équilibre à un autre. La thermique (ou thermocinétique) se propose de décrire quantitativement (dans l’espace et dans le temps) l’évolution des grandeurs caractéristiques d’un système, en particulier la température, entre l’état d’équilibre initial et l’état d’équilibre final.

9 Domaines de la Thermique
l’énergie (machines à vapeur, turbines à gaz et à vapeur, réacteurs nucléaires) le chauffage, le séchage, la cuisson (fours électriques, à gaz, micro-ondes) l’industrie du froid la construction (chauffage, climatisation)

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11 Grandeurs Physiques Fondamentales en Thermique
Quantité de chaleur Température Capacité thermique massique Chaleur latente de fusion Flux de chaleur Densité de flux de chaleur Champ de température Gradient de température

12 Quantité de Chaleur Le travail mécanique W est une grandeur scalaire exprimée en Joules: ( produit scalaire du vecteur FORCE F par le vecteur DEPLACEMENT ds) La chaleur est une forme particulière de travail, qui correspond au déplacement des particules élémentaires constituant la matière . Le premier Principe de la Thermodynamique exprime l'équivalence de la chaleur et du travail, qui sont deux formes différentes d'un même concept: L'énergie, qui doit se concevoir comme du travail ou de la chaleur emmagasiné. Travail, Chaleur et Energie sont 3 grandeurs équivalentes s'exprimant en Joules.

13 Expérience de James Joule (1843)
cours01

14 Température Grandeur physique qui décrit l'état thermique d'un corps.
C'est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des constituants élémentaires du corps. L'unité légale (S.I) de température est le KELVIN (symbole: K)

15 Echelle Celcius t (en °C) = T (en K) - 273, 15 K
t Point triple de l'eau = 273,16 K ,15 K = 0,01 °C

16 Capacité Thermique Massique Chaleur Massique
La capacité thermique massique d'une substance est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1K la température d'une masse de 1 kg de cette substance. Elle est appelée encore chaleur massique. Elle s'exprime en J. kg-1. K-1 Pour l'eau liquide (ci-contre): c = 4187 J / (kg. K)

17 Chauffage d'un Solide ou d’un Liquide
Si on considère un corps solide ou un fluide de masse m (kg) et de capacité thermique massique c J/(kg.K) , et si on lui apporte une quantité de chaleur Q, l’accroissement de la chaleur contenue par le corps ou le fluide est responsable d’une élévation de température DT, donnée par la relation :

18 Chauffage d'un gaz On distingue généralement :
- Une chaleur massique à pression constante (cp), - Une chaleur massique à volume constant (cv). Pour les gaz réels, la quantité de chaleur échangée dépend de deux variables. Ainsi, elle comporte généralement deux termes : - Un terme dû à la variation de la température, - Un terme dû à la variation de la pression ou du volume. Pour les gaz parfaits, la quantité de chaleur dépend d’une seule variable (la température)

19 Chaleur Latente de Changement d'état
Pendant le changement d'état, la température ne varie plus. Mais on doit continuer à fournir de la chaleur. Chaque kg de matière solide requiert pour opérer sa fusion la fourniture d'une quantité d'énergie L L, en Joules/kg, est la chaleur latente de fusion Variation de la température en fonction de la quantité de chaleur fournie à un corps solide

20 Flux de Chaleur Quantité de chaleur transférée par unité de temps
Un flux de chaleur est une puissance. Il s’exprime Watt (W)

21 Flux de Chaleur Noter l'analogie avec la mécanique des fluides:
Un débit fluide est un flux de matière (des m3) par seconde. Pour obtenir un débit d'un fluide, il faut une force motrice: Elle s'obtient par une différence de pression. Différences de pression et différence de températures sont équivalentes: Ce sont des différences de potentiel moteur.

22 Densité de Flux de Chaleur
La quantité de chaleur transmise par unité de temps et par unité d’aire de la surface isotherme est appelée densité de flux de chaleur  s’exprime W/m².

23 Champ de Température Les transferts de chaleur sont déterminés à partir de l’évolution dans l’espace et dans le temps de la température T = f (x,y,z,t). La valeur instantanée de la température en tout point de l’espace est un scalaire appelé champ de température. Nous distinguerons deux cas : -Champ de température indépendant du temps : le régime est dit permanent ou stationnaire, -Evolution du champ de température avec le temps : le régime est dit variable ou instationnaire.

24 Gradient de Température
Si l’on réunit tous les points de l’espace qui ont la même température,on obtient une surface dite surface isotherme. La variation de température par unité de longueur est maximale le long de la normale à la surface isotherme. Cette variation est caractérisée par le gradient de température :

25 Les 3 Modes de Transfert de Chaleur
4 Les 3 Modes de Transfert de Chaleur

26 Les 3 Modes de Transfert de Chaleur
Conduction thermique Convection de chaleur Rayonnement thermique

27 Conduction Thermique A B
Dans cette barre métallique chauffée en son extrémité A, on observe un gradient longitudinal de température T(x): T(A) > T(B) En 1822, le mathématicien français Joseph Fourier donna une définition mathématique précise de la conduction. D'après la loi de Fourier, la vitesse à laquelle la chaleur est conduite dans un corps par unité de section est proportionnelle à l'opposé du gradient de la température du corps. Le facteur de proportionnalité est la conductivité thermique du matériau.

28 Loi de Fourier La théorie de la conduction repose sur l’hypothèse de Fourier : la densité de flux de chaleur est proportionnelle au gradient de température. Cette hypothèse s’écrit sous la forme vectorielle : , ,

29 Conductivités de Certains Matériaux

30 Convection Thermique C'est le transfert de chaleur par des courants de fluides, liquides ou gazeux. Ce phénomène peut se développer naturellement, les différences de potentiel motrices étant des différences de densité: c'est la CONVECTION NATURELLE. On peut aussi le générer mécaniquement à l'aide de pompes ou de ventilateurs: c'est la CONVECTION FORCEE.

31 Loi de Newton Le mécanisme de transfert par convection est régi par la loi de Newton

32 Condensation de l’eau sous 1 atm
Valeurs de h Convection naturelle Dans un gaz Dans un liquide Convection forcée Avec un gaz Avec un liquide Ebullition de l’eau Dans un récipient En écoulement dans un tube Condensation de l’eau sous 1 atm Sur une surface verticale A l’extérieur de tubes horizontaux 2-10 10-200

33 Rayonnement Thermique
Cette forme de transfert d'énergie n'a besoin d'aucun véhicule de transport. Ce transfert a également lieu dans le vide. La différence de potentiel motrice est la différence entre les puissances quatrièmes des températures de la source et du récepteur. Principe d'un four solaire: Le rayonnement solaire concentré par le miroir parabolique élève la température du récepteur jusqu'à 300 °C

34 Loi de Stefan La densité de flux de chaleur émise par rayonnement est régie par la loi de Stéfan   est l’émissivité globale de la surface émettrice et  est la constante de Stéfan = 5, (W/m².K4).

35 Apports Thermiques et Déperditions d'une Piscine
Exemple : Apports Thermiques et Déperditions d'une Piscine