Physique · Thermodynamique

Transferts thermiques

La thermodynamique dit combien de chaleur devra passer d'un corps à l'autre. Elle ne dit pas en combien de temps. Pour cela, il faut regarder par où passe la chaleur : à travers la matière, avec un fluide qui bouge, ou par la lumière.

Il existe trois façons de transporter de la chaleur. La conduction passe de proche en proche, sans mouvement d'ensemble de la matière. La convection fait voyager la chaleur avec un fluide en mouvement. Le rayonnement la transporte par la lumière, visible ou non, et traverse le vide.

À gauche, la barre chauffe de proche en proche. Au milieu, le fluide chaud monte et le fluide froid descend. À droite, le corps chaud émet un rayonnement, qui traverse le vide.
GrandeurSymboleUnitéImage
Quantité de chaleurQjoule (J)le volume d'eau transvasé
Flux thermiqueΦ = dQ/dtwatt (W = J/s)le débit du robinet
Densité de fluxφ = Φ/AW/m²le débit par mètre carré de passage
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Quelle différence entre la quantité et la vitesse ?

La quantité de chaleur échangée au total se déduit des états de départ et d'arrivée : Q = m·c·ΔT. La vitesse dépend du chemin : un même Q peut prendre une minute ou une journée. Les deux sont reliés par Q = ∫Φ·dt : la quantité est l'aire sous la courbe du flux.

Deux tasses de 250 mL, le même café, la même pièce. L'une est une tasse ordinaire, l'autre une bouteille isotherme. Le refroidissement suit la loi de Newton : Φ = U·A·(T − Ta). Le temps caractéristique est τ = m·c / (U·A).

Température selon le temps. Orange : tasse. Bleu : bouteille isotherme.
Flux selon le temps, à la même échelle. Un pic haut et bref, ou un plateau bas et long : l'aire colorée est la chaleur déjà perdue. À la fin, les deux aires sont égales.
Temps écoulé
Tasse : T / Φ / Q déjà perdue
Bouteille : T / Φ / Q déjà perdue
Q totale à perdre (les deux) : m·c·ΔT
Contrôle tasse : ∫Φ·dt complet / m·c·ΔT
τ tasse / τ bouteille
Le thermos ne garde pas la chaleur : il la ralentit. Au bout du compte, les deux cafés cèdent exactement la même énergie. La thermodynamique le savait d'avance. Seul le temps diffère, et ce temps est tout l'objet de cette page. Un isolant n'arrête rien, il rend le flux plus petit.

Pour porter de l'eau à ébullition, Q est imposée par la masse et l'écart de température. La puissance décide seulement de l'attente. Il faut donc distinguer le kilowattheure (une énergie) du kilowatt (une puissance).

Même réservoir de chaleur à remplir, mêmes unités d'énergie. Chaque colonne reçoit sa puissance. La première arrivée n'a pas reçu plus que les autres.
Q = m·c·ΔT
En kilowattheures
Bouilloire 2 kW / plaque 1 kW / bougie 40 W
Cette énergie, en énergie mécanique
Ce schéma suppose qu'il n'y a aucune perte. En réalité, l'eau chaude perd aussi de la chaleur. Si ces pertes atteignent 40 W avant 100 °C, la bougie ne fera jamais bouillir l'eau : l'apport et la perte s'équilibrent, alors que la bougie aura fourni bien plus de joules qu'il n'en fallait. Le bilan d'énergie seul ne le prévoit pas : il faut comparer des flux.
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À quelle vitesse la chaleur traverse-t-elle la matière ?

Fourier l'écrit en 1822 : la densité de flux est proportionnelle à la pente de température, φ = −k·dT/dx, où k est la conductivité thermique du matériau. Le signe − dit que la chaleur descend les températures. Pour une barre de longueur L et de section A en régime stable : Φ = k·A·ΔT / L.

Les atomes vibrent d'autant plus que la température est haute. Les flèches montrent le flux aux deux extrémités : il n'est le même qu'en régime stable.
T(x) : bleu, calcul pas à pas par volumes finis. Pointillés verts : solution exacte en série de Fourier. L'horloge simulée va plus ou moins vite selon le matériau, pour rester lisible.
Temps simulé / τ = L²/α
Densité de flux à l'entrée / à la sortie
Régime stable : φ = k·ΔT/L
Écart maximal au calcul exact
Contrôle : φe − φs − dU/dt par m²
Diffusivité α = k/(ρ·c)
Deux questions, deux propriétés. En régime stable, seule compte k : elle dit combien il passe. Mais pour y arriver, il faut d'abord remplir la matière : c'est la diffusivité α = k/(ρ·c) qui dit à quelle vitesse. Et le temps grandit comme le carré de la longueur : deux fois plus épais, quatre fois plus long. Un mur de pierre met des heures à transmettre le soleil de midi.

Posez la main sur du métal, puis sur du bois, tous deux à 20 °C. Le métal paraît plus froid. La sensation ne mesure pas la température de l'objet, mais le flux qui quitte la peau. Au contact de deux corps, l'interface prend une température fixée par leur effusivité e = √(k·ρ·c), et le flux décroît comme 1/√t.

Profil de température entre la peau (à gauche, 33 °C) et l'objet (à droite), après la durée choisie. Bleu : formule. Points rouges : calcul numérique par volumes finis.
Température de la peau au contact
Densité de flux : formule / volumes finis
Énergie cédée depuis le contact (par cm²)
Effusivité de l'objet / de la peau
Le toucher mesure un débit. Avec du cuivre, la peau tombe presque à la température de l'objet : elle a perdu sa chaleur vite. Avec de la laine, elle reste à peine sous 33 °C. Essayez 60 °C : un métal brûle, alors qu'un bois au sauna se touche sans dommage. Le danger d'un corps n'est pas dans sa température seule, mais dans le flux qu'il peut délivrer. Les valeurs de la peau sont un ordre de grandeur.
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Comment calculer les pertes d'un mur ?

La loi de Fourier ressemble à la loi d'Ohm : ΔT joue le rôle de la tension, Φ celui du courant. La résistance thermique est R = L/(k·A) en K/W. Les résistances traversées l'une après l'autre s'ajoutent. Celles qui offrent des chemins parallèles s'additionnent en conductances, comme en électricité.

Le mur, de l'intérieur (à gauche) vers l'extérieur. Trait bleu : température. Elle chute le plus là où la résistance est la plus forte, y compris dans l'air près des parois.
Le circuit équivalent, par mètre carré. Le flux traverse tout. La chute de température dans chaque élément est proportionnelle à sa résistance.
R par couche (intérieur, 1, 2, 3, extérieur), en m²·K/W
R totale / U = 1/R
Flux pour 20 °C dedans : φ
Contrôle : φ par volumes finis
Température de la paroi intérieure
Sur 100 m² et une saison (2 400 degrés-jours)
La couche forte commande. 12 cm de laine pèsent bien plus que 20 cm de brique. À l'inverse, une vitre simple ne résiste presque pas par elle-même : sa résistance vient surtout de l'air qui colle à ses deux faces. Doubler l'isolant ne divise pas les pertes par deux si les autres résistances comptent. Un bon mur garde aussi sa paroi intérieure chaude, ce qui limite la condensation et les moisissures. Conductivités et coefficients h sont des valeurs courantes ; une lame d'air de vitrage a une conductivité apparente, qui compte aussi sa convection et son rayonnement.

Pour un tube, l'isolant ajoute une résistance ln(r₂/r₁)/(2π·k·L), mais il agrandit aussi la surface d'échange avec l'air, dont la résistance vaut 1/(h·2π·r₂·L). Pour un tube très fin, le second effet peut l'emporter : à partir du rayon nu, ajouter de l'isolant augmente les pertes, jusqu'au rayon critique rc = k/h.

Coupe du tube (rouge) et de son isolant. Les flèches sont d'autant plus épaisses que le flux local est grand.
Pertes par mètre selon le rayon extérieur. Pointillés gris : le tube nu. Trait vert : rayon critique. Le point rouge est votre réglage.
Rayon critique k/h / minimum de R cherché à l'aveugle
Pertes par mètre : tube nu / avec cet isolant (ΔT = 60 K)
Contrôle : volumes finis radiaux
Verdict
Le câble électrique aime sa gaine. Un fil de 1 mm gainé de plastique se refroidit mieux que le fil nu : l'enrobage agit comme une ailette, et c'est bienvenu pour lui. Pour un gros tuyau de chauffage, r₁ dépasse déjà rc avec une bonne laine : isoler réduit toujours les pertes.

Une maison perd sa chaleur par plusieurs chemins en parallèle : les conductances s'ajoutent. Le maillon faible n'est donc pas le même qu'en série : en parallèle, c'est le chemin le plus passant qui commande.

Pertes par élément, en watts, pour 20 °C dedans. Les parts s'additionnent en un flux total.
Flux total / conductance totale
Résistance équivalente
Plus grand poste
Chauffage coupé : τ = C/G (C = 50 MJ/K)
Température après 12 h sans chauffage
Encore quantité contre vitesse. Une maison lourde (grand C) n'a pas de plus faibles pertes en régime stable : elle les étale dans le temps. Une maison bien isolée (petit G) perd moins, tout simplement. Ajouter 10 cm à un mur déjà isolé rapporte peu si l'air neuf et les fenêtres dominent. Ce modèle est volontairement simple : ni soleil, ni apports internes, ni ponts thermiques.
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Quel rôle jouent le fluide et la lumière ?

En convection, Newton résume tout : Φ = h·A·(Ts − Tf). Mais h n'est pas une propriété du matériau : il dépend de l'écoulement. En rayonnement, tout corps émet φ = ε·σ·T⁴, loi de Stefan-Boltzmann, avec T en kelvins et ε son émissivité.

Au contact d'une paroi, le fluide est immobile : la chaleur n'y passe que par conduction. Ce film, la couche limite, s'épaissit le long de la paroi. Plus le fluide va vite, plus elle est fine, et plus h est grand.

Écoulement sur une plaque chaude. Les points vont d'autant moins vite qu'ils sont près de la plaque (profil de Blasius calculé en régime forcé laminaire, forme indicative sinon). Rouge : couche où la température varie. Échelle verticale très dilatée.
Nombre de Reynolds / régime
h moyen
Épaisseur équivalente k/h en bout de plaque
Coefficient résolu / formule 0,332·Pr^⅓
Densité de flux
Pourquoi on souffle sur sa soupe. Souffler fait remplacer l'air saturé et chaud par de l'air neuf, et amincit la couche limite. Le coefficient h de l'air immobile est de quelques W/m²/K ; celui de l'eau en écoulement dépasse facilement 1 000. C'est toute la différence entre passer dix minutes à 5 °C dans l'air ou dans l'eau. L'équation de couche limite de Blasius est résolue ici par intégration numérique. Le régime turbulent et la convection naturelle utilisent des corrélations empiriques.

Le spectre d'un corps noir est donné par la formule de Planck (1900). Sa surface totale donne σ·T⁴, et son pic se déplace selon la loi de Wien : λmax = b/T. Un corps à 20 °C émet déjà beaucoup, mais dans l'infrarouge.

Spectre selon la longueur d'onde (échelle logarithmique). La hauteur est telle que l'aire vue à l'œil représente bien l'énergie, et elle se recale pour chaque T. La bande colorée est le visible.
Densité de flux émise σ·T⁴
Par l'intégrale du spectre
λmax cherché dans le spectre / b/T
Part dans le visible (380–750 nm)
Couleur perçue à peu près
Une puissance quatre qui change tout. Doubler T multiplie l'émission par 16. Un corps humain émet pourtant autour de 500 W/m² : il en reçoit presque autant de la pièce, seule la différence compte. Une ampoule à filament, à 2 800 K, émet surtout de l'infrarouge : le visible n'en représente que 8 % environ. Le nom de « corps noir » désigne un corps idéal : ε = 1, et il absorbe tout ce qu'il reçoit.
Plaque dans l'air à 20 °C. Bleu : convection. Rouge : rayonnement. Échelles logarithmiques. Le point vert marque leur égalité.
Dans le vide, seul le rayonnement passe. Chaque écran réfléchissant ajoute un obstacle : flux final en W/m².
Convection / rayonnement
h équivalent de rayonnement / approximation 4εσT³
Température où ils s'égalent
Écrans : flux, entre 100 °C et 20 °C
Contrôle : flux par relaxation des écrans
Un radiateur rayonne autant qu'il souffle. Autour de la température d'une pièce, rayonnement et convection naturelle se valent, et le nom de « radiateur » n'est qu'à moitié juste. Au-delà de quelques centaines de degrés, le rayonnement domine. Dans une bouteille isotherme, le vide supprime la conduction et la convection, et l'argenture de faible émissivité réduit le rayonnement : deux réponses, deux modes.

Une planète n'a qu'un seul moyen d'échanger de l'énergie avec l'espace : le rayonnement. Elle reçoit le Soleil sur un disque et réémet sur toute sa sphère : sa température s'ajuste jusqu'à ce que les deux flux s'égalent.

Flux moyens en W/m². Orange : le Soleil absorbé. Rouge : l'infrarouge. La couche d'atmosphère émet autant vers le haut que vers le bas : modèle idéal à une couche.
Absorbé S(1 − a)/4
T d'équilibre sans atmosphère
T de surface avec la couche
Contrôle : ce qui part vers l'espace (sol transmis + couche)
Réchauffer de 1 K 70 m d'océan, sous 1 W/m²
Sans effet de serre, de la glace partout. Le calcul donne 255 K, soit −18 °C. L'atmosphère absorbe l'infrarouge et en renvoie une part vers le sol : la surface moyenne est de l'ordre de 15 °C. Le modèle à une couche retrouve cet ordre de grandeur, avec une émissivité ajustée : c'est une illustration, pas un modèle du climat. Là aussi, quantité et vitesse se séparent : l'océan met des années à répondre à un flux même modeste.
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Quand la chaleur choisit-elle son chemin ?

Deux expériences où la géométrie du flux n'est plus imposée. Dans un fluide chauffé par le bas, la conduction est d'abord seule, puis elle cède soudain à des rouleaux qui transportent bien plus. Dans un solide, la chaleur contourne les isolants et se précipite dans le moindre pont.

Une couche de fluide est chauffée par le bas et refroidie par le haut. Le fluide chaud, plus léger, veut monter, mais la viscosité et la conduction s'y opposent. Le nombre de Rayleigh Ra mesure cette lutte. Le calcul résout les équations du mouvement à deux dimensions, sans rien imposer sur les rouleaux.

Température dans la couche : rouge en bas, bleu en haut. Les points blancs sont transportés par l'écoulement. L'instabilité part d'un tout petit bruit : près du seuil, elle croît lentement et il faut attendre quelques dizaines de secondes.
Nombre de Nusselt : le flux rapporté à celui de la seule conduction. Pointillés : 1, conduction pure.
Ra / Ra critique (657,5)
Nu en bas / en haut
Taux de croissance : mesuré / théorie
Près du seuil : 1 + 2(1 − Rac/Ra)
Temps (unités d²/α)
Ordre de grandeur : écart de température pour 1 cm d'eau
Une transition nette. Sous Ra ≈ 657, tout bruit s'éteint et la conduction reste seule. Au-dessus, il s'amplifie, et la convection prend le relais : le flux double, triple… sans qu'on ait changé la matière. On la retrouve dans l'huile d'une poêle, les nuages en rangées, le manteau terrestre. Le seuil calculé suppose des parois sans frottement (le cas théorique), et Pr = 1. Avec de vraies parois, le seuil est 1 708. Ce n'est donc pas une expérience réelle, mais un modèle fidèle à ses équations.

Chaud à gauche, froid à droite, haut et bas isolés. Peignez des matériaux dans le plan : le calcul cherche le champ de température stable, et trace les lignes de flux. Regardez la chaleur se concentrer dans le moindre passage.

Couleur : température. Traits blancs : lignes de flux, du chaud vers le froid, resserrées là où le flux est fort. Les zones grises sont isolantes, les zones dorées conductrices. Faites glisser le doigt pour peindre.
Flux entrant / sortant (par mètre de profondeur)
Résistance équivalente
Encadrement : colonnes en série / rangées en parallèle
Écart à l'équilibre du calcul
À mi-largeur : part du flux dans les 10 % de hauteur les plus chargés
Le pont thermique. Un seul montant d'acier à travers l'isolant peut laisser passer plus de chaleur que tout l'isolant autour. Les calculs simples « en série » ou « en parallèle » ne donnent ici qu'un encadrement : c'est la géométrie réelle du flux qui donne la bonne valeur. C'est pourquoi les bâtiments isolés traitent en priorité les liaisons et les planchers. Les matériaux sont supposés uniformes en profondeur, sur une plaque de 2 m × 1 m. Le calcul cherche seulement l'état stable : l'animation n'est pas un film du temps réel.

Quelques repères

Combien, ou à quelle vitesse

Q (J) vient du bilan d'énergie entre les états. Φ (W) vient du chemin et de ses résistances. Ils sont reliés par Q = ∫Φ·dt.

Conduction

φ = −k·dT/dx. R = L/(k·A) ; les résistances en série s'ajoutent, et les conductances en parallèle aussi. Le temps de mise en régime varie comme L²/α.

Fluide et lumière

Convection : Φ = h·A·ΔT, h dépendant de l'écoulement. Rayonnement : φ = ε·σ·(T₁⁴ − T₂⁴), le seul mode qui traverse le vide.

Pour aller plus loin

L'équation de la chaleur. En combinant φ = −k·∂T/∂x et le bilan d'énergie ρ·c·∂T/∂t = −∂φ/∂x, on obtient ∂T/∂t = α·∂²T/∂x². Contrairement aux lois de la mécanique, elle n'est pas réversible : un transfert de chaleur crée de l'entropie, φ·(1/T₂ − 1/T₁) par seconde et par mètre carré.

Les grands nombres sans dimension. Reynolds Re = V·L/ν : écoulement laminaire ou turbulent. Prandtl Pr = ν/α : la couche de vitesse comparée à celle de température. Nusselt Nu = h·L/k : l'effet de la convection comparée à la conduction seule. Rayleigh Ra = g·β·ΔT·L³/(ν·α) : la force motrice de la convection naturelle.

Les données. Propriétés de l'air et de l'eau : CoolProp 8.0.0, à la température du film. Conductivités des solides, coefficients h, valeurs de la peau et dates de la frise : valeurs usuelles rédigées de mémoire, sans table consultée pour cette page. Corrélations : Churchill et Chu pour la convection naturelle verticale, plaque plane mixte (0,037·Re^0,8 − 871)·Pr^⅓ au-delà de Re = 5·10⁵.

Les calculs. Barre : volumes finis, explicites. Contact : volumes finis implicites. Bénard : courant-tourbillon, différences finies, FFT en x, schéma de Heun, parois sans frottement et Pr = 1, sur 128 × 33 points ; aux Ra les plus élevés, la résolution devient juste. Plaque peinte : surrelaxation, résistances harmoniques entre mailles de 60 × 30.

Dans la même série : Le second principe et l'entropie pour l'entropie créée par un transfert de chaleur, L'enthalpie et la calorimétrie pour Q = m·c·ΔT, et Systèmes ouverts et écoulements pour les échangeurs.