THERMIQUE
Bilan thermique
Conservation d’une grandeur extensive : P = S + E
Une grandeur physiqueG est dite « extensive » lorsque sa valeur est proportionnelle à la dimension du système qu’elle caractérise. Par exemple, la masse, le volume, l’énergie, l’entropie (ou degré de désordre d’un système) et la charge électrique sont des grandeurs extensives, alors que la masse volumique, la température et la pression ne le sont pas. Exprimer la conservation d’une grandeur extensive, c’est simplement énoncer le principe suivant : la quantité de G produite dans un domaine donné D entre deux instants est, soit stockée dans D, soit échangée entre D et son environnement. Cette assertion relève du « bon sens » : par exemple, la somme algébrique des naissances et des décès dans un pays (production P) correspond exactement à la variation de sa population (stockage S), si la somme de ses flux migratoires (échanges E) est nulle. La physique distingue certaines grandeurs extensives, qualifiées de « conservatives » : leur production P est toujours nulle ; ainsi Lavoisier énonçait-il, à propos de la masse, le fameux aphorisme « Rien ne se perd, rien ne se crée ».
Résolution d’un problème de thermique : bilan thermique Pth = Sth + Eth
On appelle « bilan thermique » d’un système quelconque l’équation de conservation de son énergie d’agitation thermique. En général, la température étant une fonction de l’espace et du temps, ce bilan prend la forme d’une équation différentielle dont la solution dépend évidemment de l’état initial de ce système et des conditions aux limites qui lui sont imposées. La résolution de ce problème, longtemps soumise au savoir-faire des méthodes mathématiques classiques, est aujourd’hui souvent confiée à des logiciels numériques de plus en plus nombreux et sophistiqués.
Production d’énergie thermique : Pth
Énergie thermique
Encyclopædia Universalis France
En physique classique et en chimie, l’énergie totale d’un système est une grandeur conservative : on ne peut donc ni la créer, ni la faire disparaître. Il est en revanche possible de transformer une forme énergétique donnée en une autre : par exemple, les accumulateurs et les piles convertissent l’énergie chimique en énergie électrique alors que l’électrolyse réalise l’opération inverse. D’autres mécanismes produisent (Pth > 0) ou absorbent (Pth < 0) l’énergie d’agitation thermique des systèmes.
Pth est nulle dans les systèmes « passifs » comme les murs d’habitation ou les gaines isolantes des fils électriques. La production des systèmes « actifs » est quantifiée par leur puissance volumique pth : celle-ci se situe entre 1 et 10 kWm—3 dans les zones decombustion chimique, entre 10 et 100 kWm—3 dans les conducteurs métalliques chauffés par effet Joule et entre 100 et 500 MWm—3 dans les barreaux de combustible nucléaire.
Les changements d’état physique (fusion-solidification, évaporation-liquéfaction et sublimation-condensation) sont très souvent utilisés comme sources et puits de chaleur en raison de la valeur élevée de l’énergie thermique qu’ils mettent en jeu, appelée « chaleur latente ». Par exemple, l’évaporation d’un litre d’eau à la pression atmosphérique (100 0C) consomme 2 260 kJ et sa congélation (0 0C) produit 333 kJ.
Stockage d’énergie thermique : Sth
L’énergie thermique stockée par unité de temps par un système homogène de masse m dont la température varie est donnée par la relation très simple :
Capacités calorifiques massives
Encyclopædia Universalis France
La grandeur C, caractéristique du milieu considéré, est appelée « capacité thermique massique ». Elle s’exprime en J.kg—1.K—1 dans le système d’unités internationales.
La « vitesse de chauffage » (ou « de refroidissement » si elle est négative), c’est-à-dire la dérivée temporelle de la température (K.s—1), joue un rôle important dans la maîtrise et la qualité de[...]
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Écrit par
- Bruno CHÉRON : professeur des Universités, enseignant-chercheur, UMR 6614 CNRS-CORIA
Classification
Médias
Flux thermique
Encyclopædia Universalis France
Énergie thermique
Encyclopædia Universalis France
Capacités calorifiques massives
Encyclopædia Universalis France
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