THERMIQUE

La thermique est une discipline scientifique spécifique d’un domaine de la physique plus vaste, la thermodynamique. La thermodynamique s’est essentiellement construite sur des principes qui expriment la conservation de deux grandeurs fondamentales : l’énergie et l’entropie. Les échanges énergétiques sont classés en deux catégories : le « travail », qui résulte de l’action d’une ou de plusieurs forces appliquées au système considéré, et la « chaleur » qui intervient naturellement dès qu’apparaît une différence de température à l’intérieur du système étudié ou entre celui-ci et son environnement. Ce second mode d’échange est le domaine d’étude de cette discipline scientifique spécifique appelée « transferts thermiques », ou, plus simplement, « thermique ».

Sous ses deux formes théoriques, phénoménologique et statistique, la thermodynamique définit très précisément l’état dans lequel se trouve un système quelconque lorsque ses caractéristiques sont rigoureusement stationnaires et uniformes : l’état d’équilibre. Elle permet de prédire l’état final d’un processus initié par la modification des contraintes (pression, température, volume, apport de matière…) imposées au système étudié, mais elle ne nous renseigne pas sur la nature des échanges de type « chaleur » qui participent à cette évolution, ou sur la vitesse à laquelle ils se produisent. La science de la thermique comble cette lacune : elle nous parle de la « chaleur », dont elle a analysé et quantifié les trois modes de propagation : la conduction, la convection et le rayonnement. Ses lois fondamentales (Fourier, Newton, et Stefan-Boltzmann) permettent de prédire l’évolution spatio-temporelle de la température à l’intérieur des systèmes physiques et de calculer les échanges thermiques entre eux.

On peut affirmer qu’il n’existe aujourd’hui aucun domaine de l’ingénierie qui ne soit confronté à des problématiques de transferts thermiques, ce qui rend la connaissance de la thermique de plus en plus nécessaire, sinon stratégique. À titre d’exemples, citons l’industrie spatiale, l’aéronautique, les moteurs automobiles, l’éclairage, l’électronique embarquée, la pétrochimie, l’agroalimentaire, le traitement des déchets, le bâtiment, le confort et la production d’énergie électrique à partir de combustions d’hydrocarbures ou de réactions nucléaires. La maîtrise et l’optimisation des systèmes où l’énergie thermique joue un rôle manifeste (fours, échangeurs, turbines, calculateurs, transformateurs, radiateurs, condenseurs, réchauffeurs, évaporateurs, systèmes de freinage…) font aujourd’hui l’objet de nombreux travaux de recherche et développement.

Histoire de la thermique

Dans l’Antiquité, les Anciens ont beaucoup disserté sur la nature de la chaleur : Héraclite (576-480) considérait la chaleur comme une force, cause de toutes les transformations ; Démocrite (460-370), comme une matière émanant des corps chauds et formée d’atomes ronds et très mobiles ; Aristote (384-322) la regardait comme une quantité occulte de la matière, capable de réunir les éléments semblables et de séparer les systèmes hétérogènes.

Les philosophes des premiers siècles de l’ère chrétienne et du Moyen Âge se sont généralement contentés de commenter la théorie des éléments développée par les Anciens, dans laquelle les quatre corps simples (terre, eau, air et feu) sont analysés au moyen de deux couples d’opposés primitifs, chaud et froid, sec et humide.

Au xvii^e siècle apparaissent de nouvelles conceptions sur l’essence de la chaleur : Descartes, Bacon, Newton et Boyle soupçonnent l’existence de relations entre les phénomènes mécaniques et calorifiques. À la fin du xviii^e siècle, on pense que la chaleur est un fluide impondérable et, comme la lumière, les deux hypothèses[...]