Exemple de conduction thermique

Conduire est avec convection et la radiation, l'un des trois mécanismes de transfert de chaleur. C'est le transfert d'énergie des particules les plus énergétiques d'une substance vers les particules adjacentes moins énergétiques, à la suite d'interactions entre ces particules. La conduction peut avoir lieu dans n'importe quel état physique, qu'il soit solide, liquide ou gazeux. Dans les gaz et les liquides, la conduction est due aux collisions et à la diffusion des molécules lors de leur mouvement aléatoire. Dans les solides, elle est due à la combinaison des vibrations des molécules dans un réseau et du transport d'énergie par des électrons libres. Par exemple, il viendra un moment où une boisson en conserve froide dans une pièce chaude se réchauffera à la température ambiante. grâce au transfert de chaleur par conduction, de la pièce à la boisson, à travers l'aluminium qui constitue le pouvez.

La vitesse de conduction thermique à travers un milieu dépend de la configuration géométrique de ceci, son épaisseur et le matériau dont il est fait, ainsi que la différence de température à travers il. Envelopper un réservoir d'eau chaude avec de la fibre de verre, qui est un matériau isolant, est connu pour réduire le taux de perte de chaleur de ce réservoir. Plus l'isolant est épais, plus la perte de chaleur est faible. Il est également connu qu'un ballon d'eau chaude perd de la chaleur à un rythme plus élevé lorsque la température de la pièce où il est logé est abaissée. De plus, plus le réservoir est grand, plus la surface et par conséquent le taux de déperdition de chaleur sont importants.

Une conduction en régime permanent (qui reste constante et sans fluctuations apparentes) de chaleur peut être considérée à travers une grande paroi plane d'épaisseur Δx = L et de surface A. La différence de température d'un côté du mur à l'autre est ΔT = T₂-T₁. Des expériences ont montré que le taux de transfert de chaleur Q à travers la paroi double lorsque la différence de température ΔT est doublée de l'une à l'autre. d'un autre côté, ou bien l'aire A perpendiculaire à la direction du transfert de chaleur est doublée, mais elle est divisée par deux lorsque l'épaisseur L de la Mur. Par conséquent, il est conclu que la vitesse de conduction thermique à travers une couche plate est proportionnelle à la différence de température à travers elle et à la zone de transfert de chaleur, mais elle est inversement proportionnelle à l'épaisseur de cette couche; est représenté par l'équation suivante :

Où la constante de proportionnalité k est la Conductivité thermique du matériau, qui est une mesure de la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Dans le cas limite de Δxà0, l'équation précédente se réduit à sa forme différentielle :

La manifestation différentielle est appelée La loi de Fourier de la conduction thermique, en l'honneur de J. Fourier, qui l'a exprimé pour la première fois dans son texte sur le transfert de chaleur en 1822. La partie dT/dx s'appelle Gradient de température, qui est la pente de la courbe de température sur un diagramme T-x, c'est-à-dire le taux de variation de la température par rapport à x, l'épaisseur du matériau, à l'emplacement x. En conclusion, la loi de Fourier sur la conduction thermique indique que le taux de conduction thermique dans une direction est proportionnel au gradient de température dans cette direction. La chaleur est conduite dans le sens de la diminution de la température et le gradient de température devient négatif lorsque celle-ci diminue avec l'augmentation de x. Le signe négatif dans les équations garantit que le transfert de chaleur dans la direction x positive est une quantité positive.

La zone A de transfert de chaleur est toujours perpendiculaire à la direction de ce transfert. Par exemple, pour les pertes de chaleur à travers un mur de 5 mètres de long, 3 mètres de haut et 25 centimètres d'épaisseur, la surface de transfert de chaleur est A = 15 mètres carrés. Il est à noter que l'épaisseur de la paroi n'affecte pas A.

Conductivité thermique

 La grande diversité des matériaux emmagasine différemment la chaleur et la propriété de la Chaleur Spécifique C a été définie._P comme mesure de la capacité d'un matériau à stocker de l'énergie thermique. Par exemple, C_P= 4,18 kJ/Kg*°C pour l'eau, et 0,45 kJ/Kg*°C pour le fer, à température ambiante, indique que l'eau peut stocker près de 10 fois plus d'énergie que le fer par unité de masse. De même, la conductivité thermique k est une mesure de la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Par exemple, k = 0,608 W/m*°C pour l'eau, et 80,2 W/m*°C pour le fer, à température ambiante, indique que le fer conduit la chaleur plus de 100 fois plus vite que l'eau. Par conséquent, on dit que l'eau est un mauvais conducteur de chaleur par rapport au fer, même si l'eau est un excellent moyen de stockage de l'énergie thermique.

Il est également possible d'utiliser la loi de conduction thermique de Fourier pour définir la conductivité thermique comme la vitesse transfert de chaleur à travers une unité d'épaisseur du matériau par unité de surface par unité de différence de température. La conductivité thermique d'un matériau est une mesure de la capacité du matériau à conduire la chaleur. Une valeur élevée de conductivité thermique indique que le matériau est un bon conducteur de chaleur, et une valeur faible indique qu'il s'agit d'un mauvais conducteur ou qu'il s'agit d'un Isolant thermique.

Diffusivité thermique

 Une autre propriété des matériaux qui participe à l'analyse de la conduction thermique en régime transitoire (ou change) est la diffusivité thermique, qui représente la vitesse à laquelle la chaleur se diffuse à travers un matériau et est définie comme continue:

Étant le k du numérateur, la conductivité thermique et le produit du dénominateur de la densité de la substance par la chaleur spécifique représentent la capacité calorifique. La conductivité thermique montre à quel point un matériau conduit la chaleur, et la capacité calorifique représente la quantité d'énergie qu'un matériau stocke par unité de volume. Par conséquent, la diffusivité thermique d'un matériau peut être conçue comme le rapport entre la chaleur conduite à travers le matériau et la chaleur stockée par unité de volume.

Un matériau qui a une conductivité thermique élevée ou une faible capacité thermique a finalement une diffusivité thermique élevée. Plus la diffusivité thermique est élevée, plus la propagation de la chaleur vers le milieu est rapide. D'un autre côté, une faible valeur de diffusivité thermique signifie que, pour la plupart, la chaleur est absorbée par le matériau et qu'une petite quantité de cette chaleur sera conduite encore plus loin.

Par exemple, les diffusivités thermiques du bœuf et de l'eau sont identiques. La logique est que la viande, ainsi que les légumes et les fruits frais, sont principalement constitués d'eau et ont par conséquent leurs propriétés thermiques.