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Le transfert de chaleur est l’acte physique de l’énergie thermique échangée entre deux systèmes en dissipant la chaleur. La température et le flux de chaleur sont les principes de base du transfert de chaleur. La quantité d’énergie thermique disponible est déterminé par la température et le flux de chaleur représente le mouvement de l’énergie thermique.
a l’échelle microscopique, l’énergie cinétique des molécules est la relation directe de l’énergie thermique., À mesure que la température augmente, les molécules augmentent en agitation thermique se manifestant par un mouvement linéaire et des vibrations. Les régions qui contiennent une énergie cinétique plus élevée transfèrent l’énergie vers des régions à énergie cinétique plus faible. En termes simples, le transfert de chaleur peut être regroupé en trois grandes catégories: conduction, convection et rayonnement.
L’image ci-dessus, fournie par la NASA, montre comment les trois méthodes de transfert de chaleur (conduction, convection et rayonnement) fonctionnent dans le même environnement.
Conduction
La conduction transfère la chaleur par collision moléculaire directe., Une zone à plus grande énergie cinétique transférera de l’énergie thermique à une zone à plus faible énergie cinétique. Les particules à vitesse plus élevée entreront en collision avec des particules à vitesse plus lente. Les particules à vitesse plus lente augmenteront en énergie cinétique en conséquence. La conduction est la forme la plus courante de transfert de chaleur et se produit par contact physique. Des exemples seraient de placer votre main contre une fenêtre ou de placer du métal dans une flamme nue.
Le processus de conduction thermique dépend des facteurs suivants: gradient de température, section transversale du matériau, longueur du trajet et propriétés physiques du matériau., Le gradient de température est la grandeur physique qui décrit la direction et la vitesse de déplacement de la chaleur. Le flux de température se produira toujours du plus chaud au plus froid ou, comme indiqué précédemment, de l’énergie cinétique supérieure à inférieure. Une fois qu’il y a équilibre thermique entre les deux différences de température, le transfert thermique s’arrête.
La section transversale et le trajet de déplacement jouent tous deux un rôle important dans la conduction. Plus la taille et la longueur d’un objet sont grandes, plus il faut d’énergie pour le chauffer. Et plus la surface est exposée, plus la chaleur est perdue., Les objets plus petits avec de petites sections transversales ont une perte de chaleur minimale.
Les propriétés physiques déterminent quels matériaux transfèrent mieux la chaleur que d’autres. Plus précisément, le coefficient de conductivité thermique dicte qu’un matériau métallique conduira la chaleur mieux que le tissu en matière de conduction. L’équation suivante calcule le taux de conduction:
Q = /d
où Q = chaleur transférée par unité de temps; k = conductivité thermique de la barrière; A = zone de transfert de chaleur; Thot = température de la région chaude; Tcold = température de la région froide; et d = épaisseur de la barrière.,
Une utilisation moderne de la conduction est en cours de développement par le Dr Gyung-Min Choi à l’Université de l’Illinois. Dr. Choi utilise le courant de spin pour générer un couple de transfert de spin. Le couple de transfert de spin est le transfert du moment angulaire de spin généré par les électrons de conduction à l’aimantation d’un ferromagnet. Au lieu d’utiliser des champs magnétiques, cela permet la manipulation de nanomagnets avec des courants de spin., (Avec l’aimable autorisation d’Alex Jerez, Imaging Technology Group, The Beckman Institute)
Convection
Lorsqu’un fluide, comme l’air ou un liquide, est chauffé puis s’éloigne de la source, il transporte l’énergie thermique. Ce type de transfert de chaleur est appelé convection. Le fluide au-dessus d’une surface chaude se dilate, devient moins dense et monte.
Au niveau moléculaire, les molécules se développer lors de l’introduction de l’énergie thermique. À mesure que la température de la masse de fluide donnée augmente, le volume du fluide doit augmenter du même facteur. Cet effet sur le fluide provoque un déplacement., Lorsque l’air chaud immédiat monte, il pousse l’air plus dense et plus froid vers le bas. Cette série d’événements représente la façon dont les courants de convection sont formés. L’équation pour les vitesses de convection est calculée comme suit:
Q = hc · A · (Ts – Tf)
où Q = chaleur transférée par unité de temps; hc = coefficient de transfert de chaleur convectif; A = surface de transfert de chaleur de la surface; Ts = température de la surface; et Tf = température du fluide.
Un radiateur est un exemple classique de convection., Lorsque l’appareil de chauffage chauffe l’air qui l’entoure près du sol, l’air augmente en température, se dilate et monte vers le haut de la pièce. Cela force l’air plus froid de sorte qu’il devient chauffé, créant ainsi un courant de convection.
Rayonnement
Le rayonnement thermique est généré par l’émission d’ondes électromagnétiques. Ces ondes transportent l’énergie loin de l’objet émetteur. Le rayonnement se produit à travers un vide ou tout milieu transparent (solide ou fluide). Le rayonnement thermique est le résultat direct de mouvements aléatoires d’atomes et de molécules dans la matière., Le mouvement des protons et des électrons chargés entraîne l’émission d’un rayonnement électromagnétique.
Tous les matériaux émettent de l’énergie thermique en fonction de leur température. Plus un objet est chaud, plus il rayonnera. Le soleil est un exemple clair de rayonnement thermique qui transfère la chaleur à travers le système solaire. À des températures ambiantes normales, les objets rayonnent sous forme d’ondes infrarouges. La température de l’objet affecte la longueur d’onde et la fréquence des ondes rayonnées., À mesure que la température augmente, les longueurs d’onde dans les spectres du rayonnement émis diminuent et émettent des longueurs d’onde plus courtes avec un rayonnement de fréquence plus élevée. Le rayonnement thermique est calculé en utilisant la loi de Stefan-Boltzmann:
P = e · σ · A · (Tr4 – Tc4)
où P = puissance rayonnée nette; A = zone rayonnante; Tr = température du radiateur; Tc = température de l’environnement; e = émissivité; et σ = constante de Stefan.
L’émissivité pour un radiateur idéal a une valeur de 1. Les matériaux courants ont des valeurs d’émissivité plus faibles. L’aluminium anodisé a une valeur d’émissivité de 0.,9 alors que le cuivre est de 0,04.
Cellule solaire ou cellule photovoltaïque, convertit l’énergie de la lumière en électricité via l’effet photovoltaïque. La lumière est absorbée et excite l’electrcon à un état d’énergie plus élevé et le potentiel électrique est produit par la séparation des charges. Efficacité des panneaux solaires a augmenté ces dernières années. En fait, ceux actuellement produits par SolarCity, une société cofondée par Elon Musk, sont à 22%.
L’émissivité est définie comme l’efficacité d’un objet à émettre de l’énergie sous forme de rayonnement thermique., C’est le rapport, à une température donnée, du rayonnement thermique d’une surface au rayonnement d’une surface noire idéale tel que déterminé par la loi de Stefan-Boltzmann. La constante de Stefan est déterminée par des constantes de la nature. La valeur de la constante est la suivante: