3.2. Les trois modes de transfert de chaleur.

La conduction.

La conduction est le moyen par lequel la chaleur circule de proche en proche dans un matériau ou passe d'un corps à un autre en contact physique direct, par simple interaction moléculaire. Les molécules du secteur le plus chaud se heurtent vivement entre elles et transmettent leur énergie de vibration aux molécules voisines. Le flux de chaleur va toujours des zones chaudes vers les zones froides.

Lorsque les molécules s'échauffent à la surface d'un corps sous l'effet du rayonnement solaire, elles transmettent cette chaleur aux molécules voisines ; et de proche en proche, la chaleur captée se répartit dans toute la masse du corps, jusqu'à atteindre à l'uniformité des températures.

La vitesse de progression du flux de chaleur à travers un corps, sa conductivité thermique, dépend de l'aptitude de ses molécules et de ses électrons à recevoir et à transmettre la chaleur.

Par exemple, un métal paraîtra plus froid au toucher qu'un morceau de bois, pourtant à la même température. Cela tient au fait que le métal a une conductibilité plus élevée et que la chaleur s'écoule de la surface vers l'intérieur plus rapidement que dans le bois. La sensation de froid est d'autant plus intense que la chaleur retirée de la main vers le métal par conduction est plus importante.

Les gaz sont généralement de mauvais conducteurs. Aussi, les matériaux comportant de minuscules cellules d'air en grand nombre sont habituellement de mauvais conducteurs et donc de bons isolants. Les matériaux d'isolation utilisés dans la construction illustrent bien cela: ils renferment une multitude de petits espaces d'air et se caractérisent par leur légèreté.

La convection.

On définit la convection comme

  1. l'échange de chaleur entre une surface et un fluide mobile à son contact,
  2. le déplacement de chaleur au sein d'un fluide par le mouvement d'ensemble de ses molécules d'un point à un autre.

Dans le processus de convection, la chaleur se déplace comme toujours des zones chaudes vers les zones froides.

Lorsque les molécules d'un fluide froid, tel que l'eau ou l'air, viennent au contact d'une paroi chaude, une partie de l'énergie de vibration animant les molécules superficielles du solide se communique aux molécules voisines du fluide.

La quantité de chaleur ainsi transmise est proportionnelle à la différence de température entre paroi et fluide.

Bien entendu, c'est par conduction à travers la matière solide que la chaleur arrive à la surface de la paroi et là, le fluide s'échauffe, se dilate, s'allège et s'élève. De nouvelles molécules plus froides remplacent continûment les molécules ascendantes chaudes. Cela entraîne une agitation permanente du fluide contre la paroi. Lorsque la chaleur est seule responsable de ces mouvements, on appelle ce phénomène CONVECTION NATURELLE.

Le mouvement de convection peut tout aussi bien s'inverser. Lorsqu'un fluide chaud vient au contact d'une paroi froide, ses molécules plus chaudes communiquent une partie de leur énergie de vibration aux molécules superficielles de la paroi. Elles s'alourdissent alors en se refroidissant et coulent vers le bas le long de la surface. Par exemple, l'air tiède au contact de la vitre froide d'une fenêtre se transforme en courant d'air frais vers le sol.

Le transfert de chaleur est plus important lorsqu'on accélère la circulation du fluide contre la paroi. Un fluide s'échauffe au contact d'une paroi à température supérieure. Et comme le flux de chaleur en provenance de la paroi est proportionnel à la masse du fluide chauffé, un moyen simple d'accroître le flux transmis est d'éloigner le plus vite possible les molécules du fluide réchauffé et de les remplacer par de nouvelles à basse température. Par exemple, on refroidit plus vite une cuillerée de soupe brûlante en soufflant au-dessus. Au contact du liquide, les molécules d'air se chargent de chaleur qu'elles emportent au loin quand on souffle; des molécules d'un air plus frais les remplacent et viennent pomper leur part de chaleur. On appelle ce phénomène CONVECTION FORCEE*.
Le rayonnement.

Tous les matériaux rayonnent sans arrêt de l'énergie dans toutes les directions, à la suite du mouvement continuel de vibration de leurs molécules situées en surface. Alors que le rayonnement solaire comporte essentiellement des radiations de courtes longueurs d'onde émises à très hautes températures, le rayonnement thermique terrestre que nous ressentons comme échange radiatif de chaleur est principalement constitué de grandes longueurs d'onde et de l'infrarouge lointain, émises à une température bien inférieure.

Lorsque le feu est mourant, les flammes et les braises prennent une coloration rouge sombre et donnent moins de lumière et à peine moins de chaleur. Au bout d'un moment, les flammes disparaissent, les braises encore rouges se ternissent, s'assombrissent et finalement ne rougeoient plus du tout. Les braises tièdes n'émettent plus de clarté, mais elles continuent à rayonner de la chaleur. On ressent la douce tiédeur du feu mourant pendant des heures, alors qu'il n'éclaire plus et émet de la chaleur seulement sous forme de radiations infrarouges.

L'intensité du rayonnement thermique d'un corps dépend de la température de sa surface rayonnante.

L'intensité du rayonnement thermique provenant d'une surface dépend non seulement de la température de cette surface, mais aussi de son EMISSIVITE. D'une façon générale, la plupart des corps sont de bons émetteurs de rayonnement thermique, c'est-à-dire qu'ils rayonnent facilement de la chaleur sous forme d'énergie radiante infrarouge. L'émissivité d'un corps mesure son aptitude à émettre un rayonnement thermique. La plupart des matériaux de construction par exemple ont une émissivité de 0,9 environ, ce qui signifie qu'ils rayonnent 90% du maximum théorique d'énergie radiante correspondant à une température donnée. Habituellement, les surfaces brillantes finement polies des métaux émettent un rayonnement thermique faible. Cela signifie qu'elles rayonnent très peu de chaleur à une température donnée.

Cependant, tous les matériaux n'absorbent pas le rayonnement thermique; certains le réfléchissent et/ou le transmettent. Cette capacité d'une surface à réfléchir le rayonnement thermique dépend davantage de la densité et de la composition du corps que de sa teinte. Alors que la couleur est un bon indicateur du pouvoir de réflexion d'une paroi vis-à-vis du rayonnement solaire, elle renseigne peu sur la réflexion du rayonnement thermique. La plupart des matériaux de construction, sans tenir particulièrement compte de leur teinte, se comportent comme un "corps noir" vis-à-vis des radiations infrarouges, et absorbent presque tout le rayonnement thermique qu'ils interceptent.

En général, ce sont seulement les surfaces brillantes finement polies, comme le papier aluminium, qui réfléchissent un pourcentage élevé du rayonnement thermique qu'elles interceptent. Les concepteurs d'avions utilisent cette propriété en donnant aux revêtements inférieurs des carlingues d'avions un fini de métal poli, de façon à ce qu'ils réfléchissent l'énergie thermique émise par la chaussée d'asphalte brûlante et, qu'ainsi, l'intérieur reste frais malgré les longues haltes sur l'aéroport.

La proportion du rayonnement thermique intercepté par une surface dépend de l'angle que font les rayons avec cette surface. Il se produit exactement le même phénomène qu'avec le rayonnement solaire. Deux parois parallèles se faisant face échangeront entre elles le montant maximum de rayonnement thermique, alors que si elles sont face à face, mais inclinées l'une par rapport à l'autre, les quantités de rayonnement thermique échangées seront moindres. Si les deux corps en présence ont le même coefficient d’absorption, le bilan de cet échange d'énergie par rayonnement se traduit par un gain net pour le corps au départ le plus froid.

Les matériaux transparents qui transmettent le rayonnement solaire visible ne transmettent pas nécessairement les radiations infrarouges.

Le verre, qui laisse pratiquement traverser l'ensemble du rayonnement solaire l'atteignant, absorbe par contre presque tout le rayonnement thermique qu'il intercepte, infrarouge proche ou lointain. Cette propriété du verre est une véritable aubaine pour le captage de l'énergie solaire. Une fois que la lumière naturelle a traversé le vitrage et se trouve absorbée par les matériaux intérieurs, le rayonnement thermique émis en retour par ces matériaux se trouve comme emprisonné par le verre.

Cela ne signifie pas que les pertes par rayonnement vers l'extérieur soient annulées. Le verre absorbe certes le rayonnement thermique pour lequel il est opaque, mais il rayonne à son tour, aussi bien vers l'extérieur que vers l'intérieur. Toutefois sa température d'émission étant plus faible, les déperditions le sont aussi.

Ce phénomène qui permet de piéger la chaleur est appelé communément "effet de serre". Pour montrer l'efficacité de cet effet, on peut citer un exemple classique: la chaleur accumulée dans une automobile parquée pendant quelques heures au soleil. D'autres matériaux transparents, comme certains plastiques utilisés en vitrerie, ont un excellent taux de transmission lumineuse, mais ils transmettent directement au-dehors 40% ou plus du rayonnement thermique qu'ils reçoivent. De ce point de vue, ces vitrages plastiques sont donc légèrement moins efficaces que le verre clair .

 


Bibliographie

E. Mazria (1979).
The passive solar energy handbook
RodalePress.

Association de Promotion des Energie Renouvelables (1994).
Guide des énergies renouvelables.
Ministère de la Région Wallonne.


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