Efficacité du transfert de chaleur

L'équation de l'efficacité du transfert de chaleur

Nous pouvons écrire mathématiquement la définition de l'efficacité du transfert de chaleur comme suit :

$\begin{array}{rcl}\mathrm{heat}\mathrm{transfer}\mathrm{efficiency}& =& \frac{\mathrm{useful}\mathrm{heat}\mathrm{output}}{\mathrm{total}\mathrm{heat}\mathrm{input}}\end{array}$

Nous pouvons noter dans cette équation que le numérateur et le dénominateur sont tous deux des quantités mesurées dans l'unité des joules$\left(\mathrm{J}\right)$. Il est donc clair que l'efficacité n'a pas d'unité et qu'il s'agit simplement d'un nombre. Cette équation nous permet d'identifier la quantité d'énergie thermique transférée utilement d'un système à un autre. Rappelle-toi que l'énergie transférée par unité de temps est la puissance de sortie du système ; il s'ensuit que nous pouvons écrire l'efficacité du transfert de chaleur d'une autre manière :

$\mathrm{heat}\mathrm{transfer}\mathrm{efficiency}=\frac{\mathrm{useful}\mathrm{heat}\mathrm{power}\mathrm{output}}{\mathrm{total}\mathrm{heat}\mathrm{power}\mathrm{input}}$

Mécanismes à prendre en compte pour l'efficacité du transfert de chaleur

Le transfert de chaleur se produit par le biais de trois mécanismes principaux : la conduction, la convection et le rayonnement. L'énergie est transférée par l'intermédiaire de chaque mécanisme, mais les processus sont différents. L'efficacité du transfert de chaleur peut être calculée indépendamment du mécanisme responsable du transfert de chaleur, car dans la plupart des situations réelles, la chaleur sera transférée en utilisant une combinaison de ces mécanismes.

Conduction

La conduction est le mécanisme de transfert de chaleur entre deux substances en contact direct. La substance à une température plus élevée a des collisions d'atomes plus énergiques, qui transfèrent progressivement l'énergie thermique à la substance plus froide. La conduction est le flux d'énergie thermique qui traverse un objet et pénètre dans un autre, ainsi que le mécanisme par lequel la chaleur se diffuse à travers un objet solide. L'image ci-dessous montre la conduction de l'énergie thermique d'une tige métallique à partir de la flamme d'une bougie.

L'image montre la chaleur transférée de la flamme d'une bougie à une tige de métal par conduction. La conduction se produit lorsque l'énergie thermique est transférée entre des objets, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

Convection

La convection est un mécanisme de transfert de chaleur qui se produit dans les liquides et les gaz qui se dilatent lorsqu'ils sont chauffés. Les particules chaudes deviennent moins denses que leur environnement, ce qui les fait monter, et des particules plus froides se déplacent pour prendre leur place. Ces particules plus froides sont alors chauffées, et le processus se répète. Cela crée un courant de convection qui transfère la chaleur d'une particule à l'autre.

Le rayonnement

Le rayonnement est l'énergie émise sous forme de radiation électromagnétique infrarouge par des surfaces chauffées. Les propriétés du rayonnement thermique dépendent du type de surface du matériau et de sa température. Il se produit lorsque des charges en mouvement à l'intérieur d'un objet sont décélérées et que leur énergie est convertie en ondes électromagnétiques. L'image ci-dessous montre un exemple de rayonnement thermique émis par un feu.

Calculs de l'efficacité du transfert de chaleur