Pertes de chaleur
Alors que l’ énergie thermique fait référence à l’énergie totale de toutes les molécules à l’intérieur de l’objet, la chaleur est la quantité d’énergie qui circule spontanément d’un corps à un autre en raison de leur différence de température. La chaleur est une forme d’énergie, mais c’est une énergie en transit . La chaleur n’est pas la propriété d’un système. Cependant, le transfert d’énergie sous forme de chaleur se produit au niveau moléculaire à la suite d’une différence de température . Lorsqu’il existe une différence de température , la chaleur circule spontanément du système le plus chaud vers le système le plus froid , jamais l’inverse. Cette direction des processus thermodynamiques est donnée par ledeuxième loi de la thermodynamique .
En conséquence, tout objet plus chaud que l’environnement doit perdre en permanence une partie de son énergie thermique. C’est un comportement naturel de tous les objets. Lorsque le flux de chaleur cesse , on dit qu’ils sont à la même température . On dit alors qu’ils sont en équilibre thermique . Les pertes de chaleur des objets les plus chauds se produisent selon trois mécanismes (individuellement ou en combinaison):
- Conduction thermique . La conduction thermique, également appelée diffusion, se produit dans un corps ou entre deux corps en contact. C’est l’échange microscopique direct de l’énergie cinétique des particules à la frontière entre deux systèmes. Lorsqu’un objet est à une température différente de celle d’un autre corps ou de son environnement
- Chaleur par convection . La convection thermique dépend du mouvement de la masse d’une région de l’espace à une autre. La convection de la chaleur se produit lorsque le flux en vrac d’un fluide (gaz ou liquide) transporte de la chaleur avec le flux de matière dans le fluide.
- Rayonnement thermique . Le rayonnement est un transfert de chaleur par rayonnement électromagnétique, tel que le soleil, sans qu’il soit nécessaire que de la matière soit présente dans l’espace entre les corps.
Pertes de chaleur – Vêtements
Le but des vêtements est similaire. Les propriétés isolantes des vêtements proviennent des propriétés isolantes de l’air . Les gaz possèdent des propriétés de conduction thermique médiocres comparées aux liquides et aux solides et constituent donc un bon matériau isolant s’ils peuvent être piégés (par exemple dans une structure semblable à une mousse). L’air et les autres gaz sont généralement de bons isolants. Mais le principal avantage est l’ absence de convection . Sans vêtements, nos corps dans un air calme réchaufferaient l’air au contact direct de la peau et retrouveraient rapidement un confort raisonnable car l’air est un très bon isolant. Il faut l’ajouter, même dans ce cas, l’air circulera par convection naturelle . En convection naturelle, l’air environnant un corps reçoit de la chaleur et par dilatation thermique, il devient moins dense et augmente. La dilatation thermique de l’air joue un rôle crucial. En d’autres termes, les composants plus lourds (plus denses) vont tomber, alors que les composants plus légers (moins denses) se lèvent, entraînant un mouvement d’air en vrac.
Dans le vent, l’air chaud entourant notre corps serait remplacé par de l’air froid, ce qui augmenterait la différence de température et la perte de chaleur du corps. Les vêtements constituent une barrière à cet air en mouvement. Le principal avantage est l’absence de convection à grande échelle. De plus, les vêtements sont fabriqués à partir de matériaux qui sont généralement de bons isolants. De nombreux matériaux isolants (par exemple la laine) fonctionnent simplement en ayant un grand nombre de poches remplies de gaz qui réduisent de manière significative la conductivité thermique du matériau. L’alternance de la poche de gaz et du matériau solide fait que la chaleur doit être transférée à travers de nombreuses interfaces, ce qui entraîne une diminution rapide du coefficient de transfert de chaleur.
Pertes de chaleur – Isolation thermique
Afin de minimiser les pertes de chaleur dans l’industrie et également dans la construction de bâtiments, l’ isolation thermique est largement utilisée. L’isolation thermique a pour but de réduire le coefficient global de transfert de chaleur en ajoutant des matériaux à faible conductivité thermique . L’isolation thermique des bâtiments est un facteur important pour assurer le confort thermique de ses occupants. L’isolation thermique réduit les pertes de chaleur indésirables et réduit également les gains de chaleur indésirables . Par conséquent, l’isolation thermique peut réduire les besoins énergétiques des systèmes de chauffage et de refroidissement. Il faut l’ajouter, aucun matériau ne peut empêcher complètement les pertes de chaleur, les pertes de chaleur ne peuvent être que minimisées.
De même que pour les vêtements, l’isolation thermique est basée sur des matériaux à faible conductivité thermique et sur sa géométrie (par exemple les fenêtres à double vitrage). Les propriétés isolantes de ces matériaux proviennent des propriétés isolantes de l’air. De nombreux matériaux isolants (par exemple la laine de verre) fonctionnent simplement en ayant un grand nombre de poches remplies de gaz qui empêchent la convection à grande échelle . La géométrie de ces matériaux joue également un rôle crucial. Par exemple, l’augmentation de la largeur de la couche d’air, comme l’utilisation de deux vitres séparées par un entrefer, réduira la perte de chaleur plus qu’une simple augmentation de l’épaisseur du verre, car la conductivité thermique de l’air est bien inférieure à celle du verre .
Exemple – Perte de chaleur à travers un mur
Les murs constituent une source majeure de perte de chaleur dans une maison. Calculez le taux de flux de chaleur à travers un mur de 3 mx 10 m (A = 30 m 2 ). Le mur a une épaisseur de 15 cm (L 1 ) et il est fait de briques avec une conductivité thermique de k 1 = 1,0 W / mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure sont de 22 ° C et -8 ° C et que les coefficients de transfert de chaleur par convection sur les côtés intérieur et extérieur sont h 1 = 10 W / m 2 K et h 2 = 30 W / m 2K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).
- Calculez le flux de chaleur ( perte de chaleur ) à travers ce mur non isolé.
- Supposons maintenant une isolation thermique sur le côté extérieur de ce mur. Utilisez une isolation en polystyrène expansé de 10 cm d’épaisseur (L 2 ) avec une conductivité thermique de k 2 = 0,03 W / mK et calculez le flux de chaleur ( perte de chaleur ) à travers cette paroi composite.
Solution:
Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection . Avec ces systèmes composites, il est souvent commode de travailler avec un coefficient global de transfert de chaleur , connu comme un facteur U . Le facteur U est défini par une expression analogue à la loi de Newton du refroidissement :
Le coefficient global de transfert de chaleur est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.
- mur nu
En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:
Le coefficient global de transfert de chaleur est alors:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m 2 K
Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme:
q = 3,53 [W / m 2 K] x 30 [K] = 105,9 W / m 2
La perte de chaleur totale à travers ce mur sera:
q perte = q. A = 105,9 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 3177 W
- mur composite avec isolation thermique
En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi composite plane, aucune résistance de contact thermique et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:
Le coefficient global de transfert de chaleur est alors:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,03 + 1/30) = 0,276 W / m 2 K
Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme:
q = 0,276 [W / m 2 K] x 30 [K] = 8,28 W / m 2
La perte de chaleur totale à travers ce mur sera:
q perte = q. A = 8,28 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 248 W
Comme on peut le voir, un ajout d’isolant thermique entraîne une diminution importante des pertes de chaleur. Il faut l’ajouter, un ajout de la prochaine couche d’isolant thermique ne provoque pas de telles économies. Cela peut être mieux vu de la méthode de résistance thermique, qui peut être utilisée pour calculer le transfert de chaleur à travers les murs composites . Le taux de transfert thermique constant entre deux surfaces est égal à la différence de température divisée par la résistance thermique totale entre ces deux surfaces.
Exemple – Perte de chaleur à travers une fenêtre
Perte de chaleur par les fenêtres
Les fenêtres constituent une source majeure de perte de chaleur dans une maison. Calculez le taux de flux de chaleur à travers une fenêtre en verre de 1,5 mx 1,0 m de surface et de 3,0 mm d’épaisseur, si les températures aux surfaces intérieure et extérieure sont respectivement de 14,0 ° C et 13,0 ° C. Calculez le flux de chaleur à travers cette fenêtre.
Solution:
À ce stade, nous connaissons les températures à la surface des matériaux. Ces températures sont également données par les conditions à l’intérieur et à l’extérieur de la maison. Dans ce cas, la chaleur circule par conduction à travers le verre de la température intérieure la plus élevée à la température extérieure la plus basse. Nous utilisons l’équation de conduction thermique:
Nous supposons que la conductivité thermique d’un verre commun est k = 0,96 W / mK
Le flux de chaleur sera alors:
q = 0,96 [W / mK] x 1 [K] / 3,0 x 10 -3 [m] = 320 W / m 2
La perte de chaleur totale à travers cette fenêtre sera:
q perte = q. A = 320 x 1,5 x 1,0 = 480 W
Il faut ajouter, 15 ° C n’est pas très chaud pour le salon d’une maison. Mais cette température ne correspond pas à la température intérieure, mais correspond à la température de surface. En raison du coefficient de transfert de chaleur par convection finie, il y a toujours une baisse de température considérable entre la température intérieure et la température de surface de la fenêtre. À noter que les deux coefficients de convection dépendent fortement des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).
Voir aussi: Coefficient de transfert de chaleur par convection
De même que pour les vêtements, l’isolation thermique est basée sur des matériaux à faible conductivité thermique et sur sa géométrie (par exemple les fenêtres à double vitrage). Les propriétés isolantes de ces matériaux proviennent des propriétés isolantes de l’air. De nombreux matériaux isolants (par exemple la laine) fonctionnent simplement en ayant un grand nombre de poches remplies de gaz qui empêchent la convection à grande échelle . La géométrie de ces matériaux joue également un rôle crucial. Par exemple, l’augmentation de la largeur de la couche d’air, comme l’utilisation de deux vitres séparées par un entrefer, réduira la perte de chaleur plus qu’une simple augmentation de l’épaisseur du verre, car la conductivité thermique de l’air est bien inférieure à celle du verre .
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