Chaleur

Chaleur

Solides, liquides et gaz, représentent trois états différents (aussi appelés phases). Les solides sont pratiquement incompressibles et ont une forme définie, tandis que les liquides sont quasi incompressibles, et les gaz sont compressibles. À des fins pratiques, les solides et les liquides se compressent si peu qu'ils sont souvent considérés comme incompressibles. L'eau peut exister sous forme solide (glace), liquide (eau) ou gazeuse (vapeur).

La chaleur est définie comme ‘énergie thermique transférée entre deux systèmes en contact direct mais à des températures différentes.’ Si de la chaleur est transférée à une substance, celle-ci changera de température, ou changera d'état.

Exemple de changement d'état

Une grande quantité de chaleur est transférée à un bloc de glace, le faisant fondre pour devenir de l'eau.

Exemple de changement de température

Une petite quantité de chaleur est transférée à de l'eau, augmentant sa température sans changer son état.

La différence clé dans les deux exemples est que l'énergie peut être transférée à une substance pour modifier sa température ou son état. Les distinctions entre ces deux formes d'énergie sont clarifiées dans la section suivante.

Chaleur Sensible et Latente

Le graphique ci-dessous montre que l'énergie thermique ajoutée ne provoque pas toujours un changement de température. La chaleur sensible est observée chaque fois que de la chaleur est ajoutée et que la température change proportionnellement (lignes inclinées sur le graphique). La chaleur latente est observée chaque fois que de la chaleur est ajoutée et qu'aucun changement de température ne se produit (lignes horizontales sur le graphique).

Diagramme de Chaleur Sensible et Latente

Ajouter de la chaleur sensible à l'eau augmentera progressivement sa température, bien qu'elle ne bouillira que lorsqu'elle atteindra sa température de saturation (point d'ébullition). À température de saturation, aucune chaleur sensible supplémentaire ne peut être ajoutée, mais plus de chaleur peut être ajoutée sous forme de chaleur latente.

La chaleur latente supplémentaire provoque l'évaporation de l'eau et son changement d'état en gaz. La vapeur résultante contient à la fois l'énergie thermique sensible et latente qui lui a été transférée, cependant, transformer l'eau en gaz nécessite beaucoup plus d'énergie que simplement chauffer l'eau, ainsi la vapeur contient beaucoup plus de chaleur latente que de chaleur sensible. La chaleur totale contenue par la vapeur est très importante, car elle représente la quantité d'énergie qui peut être utilisée ultérieurement par le consommateur final.

Transfert de Chaleur

Comme indiqué dans la deuxième loi de la thermodynamique, l'énergie thermique (aussi appelée chaleur) est transférée du chaud vers le froid. La différence de température entre deux substances dicte le taux de transfert de chaleur.

La chaleur est transférée via conduction, convection ou rayonnement. Dans la plupart des environnements industriels, la chaleur est transférée via un mélange d'un ou plusieurs de ces moyens de transfert de chaleur, rarement par un seul moyen.

• Conduction – la chaleur est transférée directement d'une molécule à une autre. La conduction se produit dans les solides, les liquides et les gaz.
• Convection – la chaleur est transférée par des molécules dans un état fluide. La convection peut être forcée (à l'aide d'une pompe ou d'un ventilateur), ou naturelle, en raison des différences de température et de densité dans le fluide. Les deux types de convection sont connus sous le nom de convection forcée et convection naturelle.
• Rayonnement – la chaleur est transférée via l'énergie rayonnante (ondes électromagnétiques). L'énergie rayonnante n'est transférée qu'aux objets opaques, c'est-à-dire aux objets qui ne laissent pas passer la lumière.

Conduction, Convection et Rayonnement

Conduction 

La conduction se produit dans les solides, les liquides et les gaz. La capacité d'une substance à absorber la chaleur par conduction est appelée sa conductivité thermique. Généralement, les solides ont une conductivité thermique plus élevée que les liquides car les molécules sont plus proches les unes des autres. De même, les liquides ont généralement une conductivité thermique plus élevée que les gaz. L'air a une faible conductivité thermique, c'est pourquoi les matériaux isolants ont souvent de grands espaces/poches d'air.

Notez que la conductivité thermique est basée sur le matériau, non sur son état/phase. Par exemple, de nombreux types de bois ont une conductivité thermique inférieure à celle de l'eau, mais le bois est un solide et l'eau est un liquide. 

Exemple de Conduction

Si une extrémité d'une tige métallique est chauffée dans un feu, tandis que l'autre extrémité ne l'est pas, les molécules de la tige métallique chauffée transmettront leur chaleur à leurs molécules voisines -plus froides-. Le processus se poursuit permettant à la chaleur d'être conduite de l'extrémité chaude de la tige à l'extrémité froide.

Dans le cas des chaudières, la conduction se produit lorsque la chaleur est transférée des surfaces de chauffage internes de la chaudière aux surfaces de chauffage externes.

Convection 

La convection peut être forcée ou naturelle. La convection forcée nécessite une pompe ou un ventilateur, etc. La convection naturelle se produit en raison des différences de température dans le fluide (les molécules chaudes sont moins denses que les molécules froides, c'est pourquoi elles ont tendance à monter naturellement au-dessus d'elles). 

Exemple de Convection

Chauffer de l'eau dans une casserole fait que les molécules chauffées deviennent moins denses et montent donc au sommet de la casserole en raison de la convection naturelle; des molécules plus froides et plus denses occupent alors l'espace où se trouvaient les molécules chauffées.

L'effet de cheminée (aussi appelé effet cheminée) est un exemple de convection naturelle. L'image ci-dessous montre une tour de refroidissement à tirage naturel. La tour de refroidissement permet à l'air plus frais d'entrer par la base, où il est ensuite chauffé par de l'eau chaude. L'air chaud -moins dense- monte alors au sommet de la tour, ce qui entraîne l'entrée d'air plus frais par la base de la tour. De cette manière, il est possible d'utiliser de très grands volumes d'air pour refroidir un processus sans utiliser de pompes ou de ventilateurs.

L'air chaud (moins dense) monte et est remplacé par de l'air plus frais (plus dense)

Dans le cas des chaudières, la convection se produit lorsque l'eau la plus proche des surfaces de chauffage internes est chauffée et devient moins dense. L'eau moins dense monte et est remplacée par de l'eau plus froide et plus dense; le processus est continu.

Rayonnement

L'énergie rayonnante n'est transférée en énergie thermique que lorsque les ondes électromagnétiques impactent une substance qui ne laisse pas passer la lumière, c'est-à-dire que la substance est opaque. Par exemple, le soleil transmet de l'énergie rayonnante, mais cette énergie ne devient énergie thermique que lorsqu'elle rencontre un objet opaque, c'est-à-dire la terre.

La quantité d'énergie qu'une substance peut transférer par rayonnement dépend largement de sa température et de son émissivité. La capacité d'une surface à émettre un rayonnement thermique est mesurée par son émissivité. Généralement, les surfaces rugueuses et sombres ont un coefficient d'émissivité plus élevé que les surfaces lisses et brillantes.

Dans le cas des chaudières, l'énergie rayonnante est libérée lors de la combustion et est transmise aux surfaces de chauffage internes opaques de la chaudière, où elle se transforme en énergie thermique. Notez que l'énergie rayonnante n'est transférée que par ligne de vue.

Exemple de Rayonnement

Si un opérateur de chaudière ouvre la porte du four de la chaudière, il/elle ressentira la chaleur car les ondes électromagnétiques se propagent vers l'extérieur du four vers l'opérateur. Si la porte est ensuite fermée, les ondes électromagnétiques ne peuvent plus se propager vers l'extérieur et la chaleur n'est plus ressentie. L'air entre le four et l'opérateur n'est pas chauffé par les ondes électromagnétiques car l'air laisse passer la lumière (il n'est pas opaque). Seules les substances opaques avec une ligne de vue directe vers le lieu de combustion seront impactées par les ondes électromagnétiques émises.

Chaleur ressentie en raison du rayonnement

Unités de Chaleur

La chaleur est une forme d'énergie et est souvent exprimée en unités thermiques britanniques (Btu) ou en Calories (Cal).

• Btu – la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'une livre d'eau d'un degré Fahrenheit.
• Calorie – la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'un gramme d'eau d'un degré Celsius.

En plus des unités de Btu et de Calorie, l'unité de Joule est souvent utilisée.

Chaleur Spécifique

Différentes substances nécessitent différentes quantités de chaleur pour changer de température. Afin de rendre une comparaison entre les substances possible, les substances reçoivent une valeur de chaleur spécifique (S.H.) , ces valeurs sont ensuite compilées dans des tableaux. Les valeurs dans les tableaux compilés ne sont que des approximations, la véritable valeur de chaleur spécifique d'un combustible est déterminée en échantillonnant et en analysant le combustible dans un laboratoire.

La chaleur spécifique est la quantité de chaleur nécessaire pour changer une unité de masse d'une substance d'une unité de température. Les unités utilisées dépendent de la préférence pour les unités impériales ou métriques. Les unités d'énergie de unités thermiques britanniques (Btu) et de Joules (J) sont souvent utilisées dans les calculs de chaleur spécifique.

Exemple 1 (Impérial)

La chaleur spécifique peut être calculée comme la quantité de chaleur nécessaire pour changer une livre d'un matériau d'un degré Fahrenheit. Les unités de capacité thermique spécifique impériales sont Btu/lb°F.

Exemple 2 (Métrique)

La chaleur spécifique peut être calculée comme la quantité d'énergie thermique nécessaire pour changer un kilogramme d'un matériau d'un degré Kelvin. Les unités de capacité thermique spécifique métriques sont J/kgK. Notez que un Celsius équivaut à un Kelvin en magnitude, donc l'unité J/kg°C donne les mêmes valeurs de capacité thermique spécifique que lorsqu'elles sont exprimées en J/kgK.

Les valeurs de chaleur spécifique de diverses substances sont données dans le tableau ci-dessous.

Valeurs de Chaleur Spécifique de Diverses Substances

Ressources Supplémentaires

https://www.chem.purdue.edu/gchelp/atoms/states.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Heat

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_energy

https://en.wikipedia.org/wiki/Sensible_heat

https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer

https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_heat_capacity

https://en.wikipedia.org/wiki/Convection_(heat_transfer)

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conduction

https://www.daikin.co.uk/en_gb/faq/what-is-the-difference-between-sensible-and-latent-heat-1.html