Flux thermique, conduction, convection, rayonnement
Bac 2025 : Ce chapitre est au programme de l'épreuve de spécialité !
Les transferts thermiques sont des échanges d'énergie entre systèmes à des températures différentes. Ils se font par conduction, convection ou rayonnement. Ce chapitre introduit les outils pour quantifier ces transferts.
Objectifs du chapitre
- Définir le flux thermique et la résistance thermique.
- Énoncer et appliquer la loi de Fourier pour la conduction.
- Distinguer conduction, convection et rayonnement.
Flux thermique et résistance thermique
Le flux thermique Φ (en watts, W) est l'énergie thermique transférée par unité de temps à travers une surface. Il s'écrit Φ = ΔT / Rth, où ΔT est la différence de température (en K ou °C) et Rth la résistance thermique (en K/W). La résistance thermique dépend du matériau, de son épaisseur et de la surface traversée.
Conduction : loi de Fourier
La conduction est le transfert thermique au sein d'un matériau sans déplacement de matière. La loi de Fourier donne le flux thermique conductif : Φ = -λ × S × (dT/dx), où λ est la conductivité thermique (W·m⁻¹·K⁻¹), S la surface (m²) et dT/dx le gradient de température (K/m). Le signe moins indique que le flux va des hautes vers les basses températures.
Convection et rayonnement
La convection est le transfert thermique par déplacement de fluide (liquide ou gaz). Elle peut être naturelle (due aux différences de densité) ou forcée (ventilateur). Le rayonnement est un transfert par ondes électromagnétiques, sans support matériel. Tout corps émet un rayonnement dont la puissance dépend de sa température et de son émissivité.
Formules à retenir
Φ = ΔT / RthΦ en W, ΔT en K ou °C, Rth en K/W.
Rth = e / (λ × S)e épaisseur (m), λ conductivité thermique (W·m⁻¹·K⁻¹), S surface (m²).
Φ = -λ × S × (dT/dx)λ conductivité thermique, S surface, dT/dx gradient de température.
Exercice d'application
Question : Une paroi plane de 10 cm d'épaisseur, de surface 2 m², a une conductivité thermique λ = 0,04 W·m⁻¹·K⁻¹. Les températures de part et d'autre sont 20 °C et 5 °C. Calcule le flux thermique traversant la paroi.
Voir la solution
Réponse : Rth = e/(λ×S) = 0,10/(0,04×2) = 0,10/0,08 = 1,25 K/W. ΔT = 20 - 5 = 15 K. Φ = ΔT/Rth = 15/1,25 = 12 W. Le flux thermique est de 12 W.
