Worldlex Wiki Le transfert de chaleur est une branche du génie thermique qui étudie la production, l'utilisation, la conversion et l'échange d' énergie thermique ( chaleur ) entre systèmes physiques. Il se divise en différents mécanismes, tels que la conduction thermique , la convection thermique , le rayonnement thermique , le transfert d'énergie par changement de phase et le refroidissement par évaporation. Les ingénieurs prennent également en compte le transfert de masse de différentes espèces chimiques (transfert de masse par advection ), qu'elles soient froides ou chaudes, pour réaliser le transfert de chaleur. Bien que ces mécanismes présentent des caractéristiques distinctes, ils se produisent souvent simultanément au sein d'un même système. La conduction thermique, également appelée diffusion, correspond aux échanges microscopiques directs d'énergie cinétique de particules (telles que des molécules) ou de quasi-particules (telles que des ondes de réseau) à travers l'interface entre deux systèmes. Lorsqu'un objet est à une température différente de celle d'un autre corps ou de son environnement, la chaleur se propage de manière à ce que le corps et son environnement atteignent la même température, état d' équilibre thermique . Ce transfert de chaleur spontané se produit toujours d'une région de haute température vers une région de température plus basse, conformément au second principe de la thermodynamique . La convection thermique se produit lorsque le flux d'un fluide (gaz ou liquide) transporte sa chaleur. Tous les processus convectifs impliquent également un transfert de chaleur, en partie par diffusion. Le flux du fluide peut être induit par des facteurs externes, ou parfois (en présence de gravité) par les forces de flottabilité dues à la dilatation du fluide par l'énergie thermique (par exemple, dans un panache de feu), influençant ainsi son propre transfert de chaleur. Ce dernier processus est souvent appelé « convection naturelle ». Le premier processus est souvent appelé « convection forcée ». Dans ce cas, le fluide est forcé de s'écouler à l'aide d'une pompe, d'un ventilateur ou d'un autre dispositif mécanique. Le rayonnement thermique se produit à travers le vide ou tout milieu transparent ( solide , fluide ou gazeux ). Il s'agit du transfert d'énergie au moyen de photons ou d'ondes électromagnétiques régis par les mêmes lois. Le transfert de chaleur est l'énergie échangée entre des matériaux (solide, liquide ou gaz) en raison d'une différence de température. L' énergie libre thermodynamique représente la quantité de travail qu'un système thermodynamique peut effectuer. L'enthalpie , notée H, est un potentiel thermodynamique qui correspond à la somme de l' énergie interne du système (U) et du produit de la pression (P) et du volume (V). Le joule est une unité de mesure de l'énergie , du travail ou de la quantité de chaleur. Le transfert de chaleur est une fonction de processus (ou fonction de chemin), par opposition aux fonctions d'état ; par conséquent, la quantité de chaleur transférée dans un processus thermodynamique qui modifie l' état d'un système dépend de la manière dont ce processus se déroule, et non seulement de la différence nette entre les états initial et final du processus. Le transfert de chaleur thermodynamique et mécanique est calculé à l'aide du coefficient de transfert de chaleur , qui représente la proportionnalité entre le flux de chaleur et la force motrice thermodynamique du flux de chaleur. Le flux de chaleur est une représentation vectorielle quantitative du flux de chaleur à travers une surface. En ingénierie, le terme « chaleur » est souvent employé comme synonyme d’« énergie thermique ». Cet usage trouve son origine dans l’ interprétation historique de la chaleur comme un fluide ( calorique ) susceptible d’être transféré par divers moyens , conception encore courante dans le langage courant. Les équations de transport de l'énergie thermique ( loi de Fourier ), de la quantité de mouvement mécanique ( loi de Newton pour les fluides ) et du transfert de masse ( lois de Fick sur la diffusion ) sont similaires, et des analogies entre ces trois processus de transport ont été développées pour faciliter la prédiction de la conversion de l'un à l'autre. Le génie thermique s'intéresse à la production, l'utilisation, la conversion, le stockage et l'échange de chaleur. De ce fait, le transfert de chaleur intervient dans presque tous les secteurs de l'économie. Le transfert de chaleur est classé en différents mécanismes, tels que la conduction thermique , la convection thermique , le rayonnement thermique et le transfert d'énergie par changement de phase .
Mécanismes
The fundamental modes of heat transfer are:
- Advection
- Advection is the transport mechanism of a fluid from one location to another, and is dependent on motion and momentum of that fluid.
- Conduction or diffusion
- The transfer of energy between objects that are in physical contact. Thermal conductivity is the property of a material to conduct heat and is evaluated primarily in terms of Fourier's law for heat conduction.
- Convection
- The transfer of energy between an object and its environment, due to fluid motion. The average temperature is a reference for evaluating properties related to convective heat transfer.
- Radiation
- The transfer of energy by the emission of electromagnetic radiation.
Advection
By transferring matter, energy—including thermal energy—is moved by the physical transfer of a hot or cold object from one place to another. This can be as simple as placing hot water in a bottle and heating a bed, or the movement of an iceberg in changing ocean currents. A practical example is thermal hydraulics. This can be described by the formula:
Conduction
La conduction transitoire (voir l'équation de la chaleur ) se produit lorsque la température à l'intérieur d'un objet varie au cours du temps. L'analyse des systèmes transitoires est plus complexe et les solutions analytiques de l'équation de la chaleur ne sont valides que pour des systèmes modèles idéalisés. Les applications pratiques sont généralement étudiées à l'aide de méthodes numériques, de techniques d'approximation ou d'études empiriques.
Convection
La convection libre, ou naturelle, se produit lorsque les mouvements de fluide (courants et flux) sont provoqués par les forces de flottabilité résultant des variations de densité dues aux variations de température du fluide. La convection forcée est un terme utilisé lorsque les courants et flux du fluide sont induits par des moyens externes, tels que des ventilateurs, des agitateurs et des pompes, créant ainsi un courant de convection artificiel.
Refroidissement par convection
Le taux de perte de chaleur d'un corps est proportionnel à la différence de température entre le corps et son environnement .
Cependant, par définition, la validité de la loi de refroidissement de Newton exige que le taux de perte de chaleur par convection soit une fonction linéaire (proportionnel) de la différence de température qui induit le transfert de chaleur, ce qui n'est pas toujours le cas en refroidissement convectif. En général, la convection ne dépend pas linéairement des gradients de température et, dans certains cas, elle est même fortement non linéaire. Dans ces cas, la loi de Newton n'est pas applicable.
Convection vs conduction
Dans un fluide chauffé par le bas, la conduction et la convection sont en compétition. Si la conduction thermique est trop importante, le fluide descendant par convection est chauffé si rapidement que sa poussée d'Archimède l'arrête. À l'inverse, le fluide ascendant par convection est refroidi si rapidement que sa poussée d'Archimède diminue. En revanche, si la conduction thermique est très faible, un fort gradient de température peut se former et la convection devenir très intense.
Le nombre de Rayleigh ( ) est le produit des nombres de Grashof ( ) et de Prandtl ( ). Il s'agit d'une mesure qui détermine l'importance relative de la conduction et de la convection.
- g est l'accélération due à la gravité,
- ρ représente la densité, étant la différence de densité entre les extrémités inférieure et supérieure,
- μ est la viscosité dynamique ,
- α est la diffusivité thermique ,
- β est la dilatation thermique volumique (parfois notée α ailleurs),
- T est la température,
- ν est la viscosité cinématique , et
- L est la longueur caractéristique.
Le nombre de Rayleigh peut être interprété comme le rapport entre le flux thermique par convection et le flux thermique par conduction ; ou, de manière équivalente, comme le rapport entre les échelles de temps correspondantes (c’est-à-dire l’échelle de temps de conduction divisée par l’échelle de temps de convection), à un facteur numérique près. Ceci peut être illustré ci-dessous, tous les calculs étant effectués à des facteurs numériques près dépendant de la géométrie du système.
La force de flottabilité à l'origine de la convection est approximativement égale à , donc la pression correspondante est approximativement égale à . En régime permanent , cette force est compensée par la contrainte de cisaillement due à la viscosité, et est donc approximativement égale à , où V est la vitesse typique du fluide due à la convection et l'ordre de grandeur de son échelle de temps. L'échelle de temps de conduction, quant à elle, est de l'ordre de .
La convection se produit lorsque le nombre de Rayleigh est supérieur à 1 000–2 000.
Radiation
Le transfert de chaleur par rayonnement est le transfert d'énergie via le rayonnement thermique , c'est-à-dire les ondes électromagnétiques . Il se produit dans le vide ou dans tout milieu transparent ( solide , fluide ou gaz ) . Tous les objets à des températures supérieures au zéro absolu émettent un rayonnement thermique , dû aux mouvements aléatoires des atomes et des molécules qui les composent. Ces atomes et molécules étant constitués de particules chargées ( protons et électrons ), leur mouvement entraîne l'émission d' un rayonnement électromagnétique qui emporte de l'énergie. Le rayonnement n'est généralement important dans les applications d'ingénierie que pour les objets très chauds ou pour les objets présentant un grand écart de température.
Lorsque les objets et les distances qui les séparent sont de grande taille et par rapport à la longueur d'onde du rayonnement thermique, le taux de transfert d' énergie rayonnante est décrit au mieux par l' équation de Stefan-Boltzmann :
Pour le transfert radiatif entre deux objets, l'équation est la suivante : où
La limite du corps noir établie par l' équation de Stefan-Boltzmann peut être dépassée lorsque les objets échangeant un rayonnement thermique, ou les distances qui les séparent, sont d'échelle comparable ou inférieure à la longueur d'onde thermique dominante . L'étude de ces cas est appelée transfert de chaleur radiatif en champ proche .
Le rayonnement solaire peut être capté pour produire de la chaleur et de l'électricité. Contrairement aux transferts de chaleur par conduction et convection, le rayonnement thermique – arrivant sous un angle étroit, c'est-à-dire provenant d'une source beaucoup plus petite que sa distance – peut être concentré en un point précis grâce à des miroirs réfléchissants. Ce principe est exploité dans les centrales solaires thermodynamiques ou les puits de chaleur . Par exemple, la lumière du soleil réfléchie par les miroirs chauffe la tour solaire PS10 et, en journée, elle permet de chauffer de l'eau à soleil, dont la température en surface atteint environ 4 000 K , permet d'atteindre approximativement 3 000 K (ou 3 000 °C, soit environ 3 273 K) au niveau d'une petite sonde placée au foyer d'un grand miroir concave concentrateur du four solaire de Mont-Louis, en France.
Une transition de phase, ou changement de phase, se produit dans un système thermodynamique, d'un état de la matière à un autre, par transfert de chaleur. La fusion de la glace ou l'ébullition de l'eau en sont des exemples. L' équation de Mason explique la croissance d'une goutte d'eau en fonction des effets du transfert de chaleur sur l'évaporation et la condensation.
Les transitions de phase impliquent les quatre états fondamentaux de la matière :
- Solide – Dépôt, solidification et transformation solide-solide.
- Liquide – Condensation et fusion .
- Gaz – Ébullition / évaporation, recombinaison / déionisation et sublimation .
- Plasma – Ionisation .
Ébullition
Le point d'ébullition d'une substance est la température à laquelle la pression de vapeur du liquide est égale à la pression qui entoure le liquide et le liquide s'évapore, ce qui entraîne un changement brutal du volume de vapeur.
Dans un système fermé , la température de saturation et le point d'ébullition sont synonymes. La température de saturation est la température à laquelle, pour une pression de saturation donnée, un liquide se vaporise. On peut dire que le liquide est saturé en énergie thermique. Tout apport d'énergie thermique provoque un changement de phase.
À pression atmosphérique normale et à basse température , il n'y a pas d'ébullition et le transfert de chaleur est régi par les mécanismes monophasiques habituels. Lorsque la température de surface augmente, une ébullition locale se produit : des bulles de vapeur se forment, grossissent dans le fluide environnant plus froid, puis implosent. Il s'agit d' une ébullition nucléée en sous-refroidissement , un mécanisme de transfert de chaleur très efficace. À des taux de formation de bulles élevés, les bulles commencent à interférer et le flux de chaleur n'augmente plus rapidement avec la température de surface (on parle alors de sortie d'ébullition nucléée , ou SEN).
À pression atmosphérique standard similaire et à haute température , on atteint le régime hydrodynamiquement plus stable de l' ébullition pelliculaire . Les flux de chaleur à travers les couches de vapeur stables sont faibles mais augmentent lentement avec la température. Tout contact visible entre le fluide et la surface entraîne probablement la nucléation extrêmement rapide d'une nouvelle couche de vapeur (« nucléation spontanée »). À des températures encore plus élevées, le flux de chaleur atteint un maximum (le flux de chaleur critique , ou CHF).
L' effet Leidenfrost illustre comment l'ébullition nucléée ralentit le transfert de chaleur en raison des bulles de gaz présentes à la surface de l'élément chauffant. Comme mentionné précédemment, la conductivité thermique en phase gazeuse est bien inférieure à celle en phase liquide, ce qui crée une sorte de « barrière thermique gazeuse ».
Condensation
La condensation se produit lorsqu'une vapeur se refroidit et passe à l'état liquide. Lors de la condensation, la chaleur latente de vaporisation est libérée. La quantité de chaleur libérée est la même que celle absorbée lors de la vaporisation à pression de fluide égale.
Il existe plusieurs types de condensation :
- Condensation homogène, comme lors de la formation du brouillard.
- Condensation au contact direct d'un liquide sous-refroidi.
- Condensation par contact direct avec une paroi froide d'un échangeur de chaleur : c'est le mode le plus couramment utilisé dans l'industrie :
fonte des glaces La fusion est un processus thermique qui entraîne le passage d'une substance de l'état solide à l'état liquide . L' énergie interne de la substance augmente, généralement par la chaleur ou la pression, ce qui provoque une élévation de sa température jusqu'au point de fusion . À ce point, l'organisation des entités ioniques ou moléculaires du solide se désagrège et le solide se liquéfie. La viscosité des substances fondues diminue généralement avec l'élévation de température ; le soufre constitue une exception à cette règle : sa viscosité augmente jusqu'à un certain point en raison de la polymérisation , puis diminue avec l'augmentation de la température à l'état fondu.
Approches de modélisation
Le transfert de chaleur peut être modélisé de différentes manières.
Équation de chaleur
L' équation de la chaleur est une équation aux dérivées partielles importante qui décrit la distribution de la chaleur (ou la variation de température) dans une région donnée au fil du temps. Dans certains cas, des solutions exactes de l'équation sont disponibles ; dans d'autres cas, l'équation doit être résolue numériquement à l'aide de méthodes de calcul telles que les modèles basés sur la méthode des éléments discrets (DEM) pour les systèmes particulaires thermiques/réactifs (comme l'ont examiné de manière critique Peng et al. ).
analyse des systèmes à paramètres concentrés
L'analyse par système global réduit souvent la complexité des équations à une seule équation différentielle linéaire du premier ordre, auquel cas le chauffage et le refroidissement sont décrits par une solution exponentielle simple, souvent appelée loi de refroidissement de Newton .
L'analyse du système par le modèle de capacité thermique globale est une approximation courante en conduction transitoire, utilisable lorsque la conduction thermique à l'intérieur d'un objet est beaucoup plus rapide que la conduction thermique à travers ses parois. Cette méthode d'approximation réduit un aspect du système de conduction transitoire – celui à l'intérieur de l'objet – à un système équivalent en régime permanent. Autrement dit, elle suppose que la température à l'intérieur de l'objet est parfaitement uniforme, bien que sa valeur puisse varier au cours du temps.
Dans cette méthode, on calcule le rapport entre la résistance thermique conductrice au sein de l'objet et la résistance au transfert thermique convectif à travers sa surface, appelé nombre de Biot . Pour les faibles nombres de Biot, on peut utiliser l'approximation d' une température spatialement uniforme au sein de l'objet : on peut supposer que la chaleur transférée à l'objet a le temps de se répartir uniformément, du fait de la plus faible résistance à cette répartition, comparée à la résistance à la chaleur entrant dans l'objet.
Modèles climatiques
Les modèles climatiques étudient le transfert de chaleur par rayonnement en utilisant des méthodes quantitatives pour simuler les interactions de l'atmosphère, des océans, de la surface terrestre et de la glace.
Ingénierie
Exposition à la chaleur dans le cadre d'un test de résistance au feu pour les produits coupe-feu Le transfert de chaleur trouve de nombreuses applications dans le fonctionnement de nombreux dispositifs et systèmes. Les principes du transfert de chaleur permettent de maintenir, d'augmenter ou de diminuer la température dans une grande variété de situations. Les méthodes de transfert de chaleur sont utilisées dans de nombreuses disciplines, telles que l'ingénierie automobile , la gestion thermique des dispositifs et systèmes électroniques , la climatisation , l'isolation , le traitement des matériaux , le génie chimique et l'ingénierie des centrales électriques .
Isolation, rayonnement et résistance
Les isolants thermiques sont des matériaux conçus spécifiquement pour réduire les transferts de chaleur en limitant la conduction, la convection, ou les deux. La résistance thermique est une propriété thermique qui mesure la résistance d'un objet ou d'un matériau au flux de chaleur (chaleur par unité de temps ou résistance thermique) en fonction de la différence de température.
La luminance , ou luminance spectrale, mesure la quantité de rayonnement qui traverse un matériau ou qui est émise. Les barrières radiantes sont des matériaux qui réfléchissent le rayonnement et réduisent ainsi le flux de chaleur provenant des sources de rayonnement. Un bon isolant n'est pas forcément une bonne barrière radiante, et inversement. Le métal, par exemple, est un excellent réflecteur et un mauvais isolant.
L'efficacité d'une barrière radiante est indiquée par sa réflectivité , qui correspond à la fraction du rayonnement réfléchie. Un matériau à réflectivité élevée (à une longueur d'onde donnée) présente une faible émissivité (à cette même longueur d'onde), et inversement. À une longueur d'onde spécifique, la réflectivité est égale à 1 moins l'émissivité. Une barrière radiante idéale aurait une réflectivité de 1 et réfléchirait donc 100 % du rayonnement incident. Les vases à vide , ou vases Dewar, sont argentés pour se rapprocher de cet idéal. Dans le vide spatial, les satellites utilisent une isolation multicouche , composée de nombreuses couches de Mylar aluminisé (brillant) , afin de réduire considérablement le transfert de chaleur par rayonnement et de contrôler la température du satellite.
Schéma du flux d'énergie dans un moteur thermique. Un moteur thermique est un système qui convertit un flux d' énergie thermique (chaleur) en énergie mécanique pour produire un travail mécanique . Un thermocouple est un dispositif de mesure de température, largement utilisé comme capteur de température pour la mesure et le contrôle, et qui peut également servir à convertir la chaleur en énergie électrique. Un refroidisseur thermoélectrique est un dispositif électronique à semi-conducteurs qui transfère la chaleur d'un côté à l'autre lorsqu'un courant électrique le traverse. Il repose sur l' effet Peltier . Une diode thermique , ou redresseur thermique, est un dispositif qui oriente le flux de chaleur dans un sens.
Échangeurs de chaleur
Un échangeur de chaleur est utilisé pour un transfert de chaleur plus efficace ou pour dissiper la chaleur. Les échangeurs de chaleur sont largement utilisés dans la réfrigération , la climatisation , le chauffage des locaux , la production d'énergie et les procédés chimiques. Un exemple courant d'échangeur de chaleur est le radiateur d'une voiture, dans lequel le liquide de refroidissement chaud est refroidi par le flux d'air sur la surface du radiateur.
Les échangeurs de chaleur fonctionnent généralement selon trois types d'écoulement : parallèle, à contre-courant et croisé. En écoulement parallèle, les deux fluides circulent dans le même sens et échangent de la chaleur ; en écoulement à contre-courant, ils circulent en sens inverse ; et en écoulement croisé, ils circulent perpendiculairement l' un à l'autre. Parmi les échangeurs de chaleur courants , on trouve les échangeurs à calandre et tubes , les échangeurs à double tube , les échangeurs à tubes à ailettes extrudées, les échangeurs à tubes à ailettes spiralées, les échangeurs à tubes en U et les échangeurs à plaques empilées. Chaque type présente des avantages et des inconvénients spécifiques.dissipateur thermique est un composant qui transfère la chaleur générée au sein d'un matériau solide vers un fluide, tel que l'air ou un liquide. Les échangeurs de chaleur utilisés dans les systèmes de réfrigération et de climatisation, ou le radiateur d'une voiture, en sont des exemples. Un caloduc est un autre dispositif de transfert de chaleur qui combine conductivité thermique et changement de phase pour transférer efficacement la chaleur entre deux interfaces solides.
Applications
Architecture
L’objectif d’ une utilisation efficace de l’énergie est de réduire la quantité d’énergie nécessaire au chauffage ou à la climatisation. En architecture, la condensation et les courants d’air peuvent causer des dommages esthétiques ou structurels. Un audit énergétique permet d’évaluer la mise en œuvre des mesures correctives recommandées, telles que l’amélioration de l’isolation, l’étanchéité à l’air des fuites structurelles ou l’installation de fenêtres et de portes à haute performance énergétique.
- Un compteur intelligent est un appareil qui enregistre la consommation d'énergie électrique à intervalles réguliers.
- Le coefficient de transmission thermique est le flux de chaleur traversant une structure, divisé par la différence de température entre ses deux faces. Il s'exprime en watts par mètre carré par kelvin, soit W/(m²K ) . Les parties bien isolées d'un bâtiment présentent un faible coefficient de transmission thermique, tandis que les parties mal isolées présentent un coefficient de transmission thermique élevé.
- Un thermostat est un appareil permettant de surveiller et de contrôler la température.
Ingénierie climatique
Un exemple d'application en génie climatique est la production de biochar par pyrolyse . Le stockage des gaz à effet de serre sous forme de carbone réduit ainsi le forçage radiatif de l'atmosphère, ce qui entraîne une augmentation du rayonnement infrarouge vers l'espace. La géo-ingénierie climatique repose sur la capture du dioxyde de carbone et la gestion du rayonnement solaire . La quantité de dioxyde de carbone déterminant le bilan radiatif de l'atmosphère terrestre, les techniques de capture du dioxyde de carbone permettent de réduire le forçage radiatif . La gestion du rayonnement solaire vise à limiter l'absorption du rayonnement solaire afin de compenser les effets des gaz à effet de serre .
Une autre méthode consiste à utiliser le refroidissement radiatif passif diurne , qui amplifie le flux de chaleur terrestre vers l'espace à travers la fenêtre infrarouge (8–13 μm). Plutôt que de simplement bloquer le rayonnement solaire, cette méthode augmente le transfert de chaleur par rayonnement thermique infrarouge à grandes longueurs d'onde (IRL) sortant grâce à la température extrêmement basse de l'espace (~2,7 K ), ce qui permet d'abaisser les températures ambiantes sans aucun apport d'énergie.
effet de serre
Une représentation des échanges d'énergie entre la source (le Soleil ), la surface terrestre, l' atmosphère terrestre et le puits ultime, l'espace . La capacité de l'atmosphère à rediriger et à recycler l'énergie émise par la surface terrestre est la caractéristique déterminante de l'effet de serre. L’ effet de serre est un processus par lequel le rayonnement thermique émis par la surface d’une planète est absorbé par les gaz à effet de serre atmosphériques et les nuages, puis réémis dans toutes les directions. Il en résulte une réduction de la quantité de rayonnement thermique atteignant l’espace par rapport à ce qu’elle serait en l’absence de matériaux absorbants. Cette réduction du rayonnement sortant entraîne une hausse de la température de la surface et de la troposphère jusqu’à ce que le flux de rayonnement sortant soit à nouveau égal au flux de chaleur reçu du Soleil.
Le transfert de chaleur par convection est dû au mouvement des fluides à la surface du corps. Ce fluide peut être un liquide ou un gaz. Pour le transfert de chaleur depuis la surface externe du corps, le mécanisme de convection dépend de la surface corporelle, de la vitesse de l'air et du gradient de température entre la surface de la peau et l'air ambiant . La température corporelle normale est d'environ 37 °C. Le transfert de chaleur est plus important lorsque la température ambiante est nettement inférieure à la température corporelle normale. Ce phénomène explique pourquoi une personne a froid lorsqu'elle est insuffisamment couverte par temps froid. Les vêtements peuvent être considérés comme un isolant thermique, offrant une résistance au flux de chaleur à travers la partie couverte du corps . Cette résistance thermique fait que la température à la surface du vêtement est inférieure à celle de la peau. Ce plus faible gradient de température entre la surface et l'environnement entraîne un transfert de chaleur moins important que si la peau n'était pas couverte.Dans le corps humain
Pour éviter une différence de température significative entre les différentes parties du corps, la chaleur doit être répartie uniformément dans les tissus. Le sang circulant dans les vaisseaux sanguins agit comme un fluide convectif et contribue à prévenir toute accumulation excessive de chaleur dans les tissus. Ce flux sanguin peut être modélisé comme un écoulement dans une conduite. La chaleur transportée par le sang dépend de la température des tissus environnants, du diamètre du vaisseau, de l' épaisseur du fluide , de la vitesse d'écoulement et du coefficient de transfert thermique du sang. La vitesse, le diamètre du vaisseau et l'épaisseur du fluide sont tous liés au nombre de Reynolds , un nombre sans dimension utilisé en mécanique des fluides pour caractériser l'écoulement.
La perte de chaleur latente , également appelée perte de chaleur par évaporation, représente une part importante des pertes de chaleur corporelles. Lorsque la température interne du corps augmente, les glandes sudoripares activent la peau afin d'y apporter davantage d'humidité. L'eau se transforme alors en vapeur, qui absorbe la chaleur de la surface corporelle . Le taux de perte de chaleur par évaporation est directement lié à la pression de vapeur à la surface de la peau et à son taux d'humidité . Par conséquent, le transfert de chaleur est maximal lorsque la peau est complètement humide. Le corps perd continuellement de l'eau par évaporation, mais les pertes de chaleur les plus importantes surviennent lors d'activités physiques intenses.
techniques de refroidissement
Refroidissement par évaporation
Un climatiseur traditionnel à Mirzapur , dans l'Uttar Pradesh , en Inde. Le refroidissement par évaporation se produit lorsque de la vapeur d'eau est ajoutée à l'air ambiant. L'énergie nécessaire à l'évaporation de l'eau est prélevée dans l'air sous forme de chaleur sensible et convertie en chaleur latente, tandis que l' enthalpie de l'air reste constante . La chaleur latente représente la quantité de chaleur nécessaire à l'évaporation du liquide ; cette chaleur provient du liquide lui-même, ainsi que des gaz et surfaces environnants. Plus la différence entre les deux températures est importante, plus l'effet de refroidissement par évaporation est marqué. Lorsque les températures sont identiques, il n'y a pas d'évaporation nette d'eau dans l'air ; par conséquent, aucun refroidissement n'est observé.
Refroidissement laser
En physique quantique , le refroidissement laser est utilisé pour atteindre des températures proches du zéro absolu (−273,15 °C, −459,67 °F) d'échantillons atomiques et moléculaires afin d'observer des effets quantiques uniques qui ne peuvent se produire qu'à ce niveau de chaleur.
- Le refroidissement Doppler est la méthode de refroidissement laser la plus courante.
- Le refroidissement sympathique est un processus dans lequel des particules d'un type refroidissent des particules d'un autre type. Généralement, on utilise des ions atomiques pouvant être refroidis directement par laser pour refroidir des ions ou des atomes voisins. Cette technique permet le refroidissement d'ions et d'atomes qui ne peuvent pas être refroidis directement par laser.
Le refroidissement par évaporation magnétique est un procédé permettant d'abaisser la température d'un groupe d'atomes après un pré-refroidissement par des méthodes telles que le refroidissement laser. La réfrigération magnétique permet d'atteindre des températures inférieures à 0,3 K grâce à l' effet magnétocalorique .Refroidissement magnétique
Refroidissement radiatif
Le refroidissement radiatif est le processus par lequel un corps perd de la chaleur par rayonnement. L'énergie émise joue un rôle important dans le bilan énergétique de la Terre . Dans le cas du système Terre-atmosphère, il s'agit du processus par lequel un rayonnement infrarouge (longues ondes) est émis pour compenser l'absorption du rayonnement visible (courtes ondes) provenant du Soleil. La thermosphère (haute couche de l'atmosphère) se refroidit principalement par l'énergie infrarouge émise par le dioxyde de carbone ( Le stockage d'énergie thermique regroupe les technologies de collecte et de stockage de l'énergie en vue d'une utilisation ultérieure. Il permet notamment d'équilibrer la demande énergétique entre le jour et la nuit. Le réservoir thermique peut être maintenu à une température supérieure ou inférieure à celle de l'environnement ambiant. Parmi les applications, on peut citer le chauffage des locaux, la production d'eau chaude sanitaire ou industrielle, ou encore la production d'électricité.
Isaac Newton 
Loi de refroidissement de Newton. T₀ = température initiale, T<sub> Isaac Newton publia anonymement un article dans les Philosophical Transactions, notant (en termes modernes) que la vitesse de variation de température d'un corps est proportionnelle à la différence de température ( conductivité thermique du corps le plus chaud est indépendante de la température. La conductivité thermique de la plupart des matériaux ne dépend que faiblement de la température ; par conséquent, la loi est généralement vérifiée. convection thermique
En matière de transfert de chaleur par convection, la loi est valable pour le refroidissement par air forcé ou par fluide pompé, où les propriétés du fluide ne varient pas fortement avec la température, mais elle n'est qu'approximativement vraie pour la convection par flottabilité, où la vitesse du flux augmente avec la différence de température.
rayonnement thermique
Dans le cas du transfert de chaleur par rayonnement thermique, la loi de refroidissement de Newton n'est valable que pour de très faibles différences de température.
Conductivité thermique de différents métaux
Jan Ingenhousz 
Appareil de mesure des conductivités thermiques relatives de différents métaux Dans une lettre de 1780 à Benjamin Franklin , le scientifique britannique d'origine néerlandaise Jan Ingenhousz relate une expérience qui lui a permis de classer sept métaux différents en fonction de leur conductivité thermique :
Benjamin Thompson Entre 1784 et 1798, le physicien britannique Benjamin Thompson (comte Rumford) séjourna en Bavière , où il réorganisa l'armée bavaroise pour le compte du prince-électeur Charles Théodore, entre autres fonctions officielles et caritatives. L'électeur lui permit d'accéder aux installations de l'Académie électorale des sciences de Mannheim . Durant son séjour à Mannheim, puis à Munich , Thompson réalisa de nombreuses découvertes et inventions liées à la chaleur.
Expériences de conductivité
« Nouvelles expériences sur la chaleur »
En 1785, Thompson réalisa une série d'expériences sur la conductivité thermique, qu'il décrit en détail dans l' article « New Experiments upon Heat » paru dans les Philosophical Transactions en 1786. Le fait que les bons conducteurs électriques soient souvent aussi de bons conducteurs thermiques , et inversement, devait être bien connu à l'époque, car Thompson le mentionne incidemment. Il se proposait de mesurer les conductivités relatives du mercure, de l'eau, de l'air humide, de l'air ambiant (air sec à pression atmosphérique normale), de l'air sec à différents degrés de raréfaction, et du vide torricellien .
Moyen Conductivité relative Mercure 1000 Air humide 330 Eau 313 air sec (1 atm) 80,41 air sec (1/4 atm) 80,23 Air sec (1/24 atm) 78 Vide torricellien 55 Pour ces expériences, Thompson utilisa un thermomètre placé à l'intérieur d'un grand tube de verre fermé. Dans les conditions décrites, la chaleur a pu — à l'insu de Thompson — être transférée davantage par rayonnement que par conduction . Tels furent ses résultats.
Après ses expériences, Thompson fut surpris de constater que le vide était un conducteur de chaleur nettement moins bon que l'air, « qui est déjà considéré comme l'un des pires » , mais qu'il n'y avait qu'une très faible différence entre l'air ambiant et l'air raréfié . Il nota également la grande différence entre l'air sec et l'air humide , et le grand avantage que cela procure
la chaleur sensible .William Prout 
Cheminée avec grille et conduit de cheminée Dans les années 1830, dans les Traités de Bridgewater , le terme convection est attesté dans un sens scientifique. Dans le traité VIII de William Prout , dans le livre sur la chimie , il est dit :
Ce mouvement de chaleur s'effectue de trois manières, comme l'illustre parfaitement une cheminée. Si, par exemple, on place un thermomètre directement devant un feu, son aiguille monte rapidement, indiquant une hausse de température. Dans ce cas, la chaleur s'est propagée à travers l'espace entre le feu et le thermomètre, par un processus appelé rayonnement . Si l'on place un deuxième thermomètre en contact avec une partie quelconque de la grille, à l'écart de l'influence directe du feu, on constatera que ce thermomètre indique également une hausse de température ; mais ici, la chaleur a dû se propager à travers le métal de la grille, par un phénomène appelé conduction . Enfin, un troisième thermomètre placé dans le conduit de cheminée, à l'écart de l'influence directe du feu, indiquera lui aussi une hausse de température considérable ; dans ce cas, une partie de l'air, passant à proximité du feu, s'est réchauffée et a transporté par le conduit la température acquise grâce au feu. Il n'existe actuellement aucun terme unique dans notre langue pour désigner ce troisième mode de propagation de la chaleur. mais nous nous permettons de proposer à cette fin le terme convection , [en note de bas de page : [latin] Convectio , un transport ou une transmission] qui non seulement exprime le fait principal, mais s'accorde aussi très bien avec les deux autres termes.
Plus tard, dans le même traité VIII, dans le livre sur la météorologie , le concept de convection est également appliqué au « processus par lequel la chaleur est communiquée à travers l'eau ».