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Notions de Thermique
Application à la Thermoélectricité
L’éléctrothermie
Rendement de conversion de l’énergie
très élevé
Entretien réduit
Densité de puissance
Economie de matière
Souplesse d’utilisation
Régulation fine
La Température
Mesure l’agitation des molécules (en Kelvin)
0 Kelvin = -273,15 °C
La chaleur
La chaleur est l’autre nom de l’énergie thermique
La chaleur est l’énergie cinétique désordonnée totale
associée à un groupe de particules (habituellement des
atomes, des ions et des électrons) à l’intérieur du corps
Q (J) définit la chaleur ou énergie thermique
m (kg) est la masse du corps
C (J.kg-1.K-1) est la capacité calorique du corps qui traduit la quantité de chaleur
que peut contenir un corps par kg et par degré
Q m C T
  
Transfert d’énergie thermique
La chaleur s’écoule sous l’influence d’un gradient (hausse
ou baisse) de température
1 dQ
S dt
 
dQ
dt
 
(W.m-2)
(W)
Formulation d’un problème de
transfert de chaleur
st : flux de chaleur stocké
s : flux de chaleur sortant
e : flux de chaleur entrant
g : flux de chaleur généré
e s
g
st
e g s st
   
  
Différents modes de
transmission de la chaleur
Convection Rayonnement Diffusion thermique / conduction
Principe
Déplacement de
matière et donc de
chaleur suivant le
principe
d’Archimède
Transport
d’énergie par le
biais du champ
électromagnétique
Vibrations ou chocs dans la matière
se propageant de proche en proche
des milieux chauds vers les milieux
froid
Vide Non Oui Non
Solide Non Oui, si transparent Oui
Fluide Oui Oui, si transparent Oui
Conduction
Loi de Fourier
T1 T2
S
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T
S
x
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T T
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 
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
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x
En W
th
e
R
S


Si on pose
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P R T
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Analogie de l’électricité I R V
 
En W
: Conductivité thermique en W.m-1.K-1
ou W.m/(m².K)
S: en m²
T: en K
: en W
: en W.m-2
grad T
 
  
1m d’épaisseur
de matériau
1m² de surface
de matériau
Resistance thermique
 
1 2
T T
e
S




e
T(x)
x
T1
T2

th
e
R
S

 en K/W
T1 T2

th
e
R
S


T1
Tamb

th
e
R
S



Mur monocouche


th
e
R
Rq: Critère commercial
Résistance surfacique
Resistance thermique
Mur multicouches
e
T(x)
x
Tf1
T1

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eA
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h2
h1
T2
T3
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A B C
 
1 2
1 1
1 1
f f
C
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A B C
T T
e
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h S S S S h S
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  

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   
Tf1
Tf2

A
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A
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R
S


1
1
1
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R
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 2
2
1
th
R
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
B
thB
B
e
R
S

 C
thC
C
e
R
S


Mur en brique
Matériau isolant
Placoplâtre
Convection
Tp
Fluide à T
S
 
p
hS T T
 
 
 
p
hS T T
 
 
Tp température de la paroi
T température du fluide
h coefficient de convection (W.m-2.K-1 )
• h faible: convection naturelle h=5
• h fort: convection forcée (ventilée) h>25
  1
th p th
R T T avec R
hS
 
   
Convection
naturelle forcée
Rayonnement
Tp
Milieu à T
S
 
4 4
p
S T T
   
   
 
4 4
p
S T T
   
   
Rayonnement
 constante de Stephan: 5,68x10-8
 émissivité propre à chaque matériau
max
B
T
 
2898 ( . )
m T µm K
  
Rayonnement
 : facteur de réflexion
 : facteur de transmission
 : facteur d’absorption (= émissivité )
On a bien évidemment :  +  +  = 1
Matériau
incident
absorbé
réfléchi
transmi
Rayonnement
Effet de serre
A titre d’exemples:
 les « piège à chaleur » des capteurs solaires (tôles
métalliques avec traitements de surface):
absorptivité 0,95, émissivité <0,05.
 Radiateurs blancs (spectre solaire), forte émission
dans les grandes longueurs d'onde.
 La neige ne fondra que lentement au soleil (faible
absorptivité dans le spectre solaire), fondra plus
rapidement sous le rayonnement thermique d'un
mur (le rayonnement thermique appartient au
domaine de forte émissivité, donc de forte
absorptivité).
Matériaux Absorptivité
hémisphérique
globale α
Emissivité
hémisphérique ε à T=
300 K
Carton goudronné noir 0,82 0,91
Brique rouge 0,75 0,93
Blanc de zinc 0,22 0,92
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Stockage
( )
 

   

m kg
st
T
V c
t
Génération d’énergie
g
dq
V
dt
  
Avec
 : masse volumique (en kg.m3)
V volume
C chaleur massique (J.kg-1.K-1)
dq/dt densité volumique d’énergie générée
(en W.m-3)
V en m3.
Radiateur de composant
La puissance se propage de la jonction vers le
boîtier puis du boîtier vers le radiateur. On a
les relations suivantes :
On a
Tj température de la jonction (°C ou K).;
Ta température ambiante(°C ou K) ;
P puissance dissipée ;
Rth résistance thermique en °C/W ou K/W .
j a th
T T R P
  
j b
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T T
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P
T T
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T T
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 

 
   


 
 

Capacité Thermique
Chauffage par résistance
Production de chaleur
2
j
P R I
 
Réglage par train d’ondes
Production de chaleur
Chauffage par induction
Production de chaleur
Chauffage par rayonnement infrarouge
4 4
2 1 2
. . .( )
P S T T
 
 
P en W
S2 :surface du corps à chauffer.
T1 température source.
T2 température du corps à chauffer.
facteur de forme :facteur compris entre 0 et 1 selon matériaux.
 +5,67.10-8 W.m-2.K-1 ou °C-1 constante de Stefan-Boltzmann.
Production de chaleur
Chauffage par effet diélectrique (micro ondes)
2
0
. . . .
P V E
  

=2f pulsation de la micro-onde.
0=1/(4. .10-9) permittivité du vide.
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température 10-3<<100. P en W

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  • 1. Notions de Thermique Application à la Thermoélectricité
  • 2. L’éléctrothermie Rendement de conversion de l’énergie très élevé Entretien réduit Densité de puissance Economie de matière Souplesse d’utilisation Régulation fine
  • 3. La Température Mesure l’agitation des molécules (en Kelvin) 0 Kelvin = -273,15 °C
  • 4. La chaleur La chaleur est l’autre nom de l’énergie thermique La chaleur est l’énergie cinétique désordonnée totale associée à un groupe de particules (habituellement des atomes, des ions et des électrons) à l’intérieur du corps Q (J) définit la chaleur ou énergie thermique m (kg) est la masse du corps C (J.kg-1.K-1) est la capacité calorique du corps qui traduit la quantité de chaleur que peut contenir un corps par kg et par degré Q m C T   
  • 5. Transfert d’énergie thermique La chaleur s’écoule sous l’influence d’un gradient (hausse ou baisse) de température 1 dQ S dt   dQ dt   (W.m-2) (W)
  • 6. Formulation d’un problème de transfert de chaleur st : flux de chaleur stocké s : flux de chaleur sortant e : flux de chaleur entrant g : flux de chaleur généré e s g st e g s st       
  • 7. Différents modes de transmission de la chaleur Convection Rayonnement Diffusion thermique / conduction Principe Déplacement de matière et donc de chaleur suivant le principe d’Archimède Transport d’énergie par le biais du champ électromagnétique Vibrations ou chocs dans la matière se propageant de proche en proche des milieux chauds vers les milieux froid Vide Non Oui Non Solide Non Oui, si transparent Oui Fluide Oui Oui, si transparent Oui
  • 8. Conduction Loi de Fourier T1 T2 S 2 1 T S x ou T T P S e                      x En W th e R S   Si on pose Alors th P R T    Analogie de l’électricité I R V   En W : Conductivité thermique en W.m-1.K-1 ou W.m/(m².K) S: en m² T: en K : en W : en W.m-2 grad T      1m d’épaisseur de matériau 1m² de surface de matériau
  • 9. Resistance thermique   1 2 T T e S     e T(x) x T1 T2  th e R S   en K/W T1 T2  th e R S   T1 Tamb  th e R S    Mur monocouche   th e R Rq: Critère commercial Résistance surfacique
  • 10. Resistance thermique Mur multicouches e T(x) x Tf1 T1  eB eA eC h2 h1 T2 T3 T4 Tf2 A B C   1 2 1 1 1 1 f f C A B A B C T T e e e h S S S S h S           Tf1 Tf2  A thA A e R S   1 1 1 th R h S  2 2 1 th R h S  B thB B e R S   C thC C e R S   Mur en brique Matériau isolant Placoplâtre
  • 11. Convection Tp Fluide à T S   p hS T T       p hS T T     Tp température de la paroi T température du fluide h coefficient de convection (W.m-2.K-1 ) • h faible: convection naturelle h=5 • h fort: convection forcée (ventilée) h>25   1 th p th R T T avec R hS      
  • 13. Rayonnement Tp Milieu à T S   4 4 p S T T           4 4 p S T T         Rayonnement  constante de Stephan: 5,68x10-8  émissivité propre à chaque matériau max B T   2898 ( . ) m T µm K   
  • 14. Rayonnement  : facteur de réflexion  : facteur de transmission  : facteur d’absorption (= émissivité ) On a bien évidemment :  +  +  = 1 Matériau incident absorbé réfléchi transmi
  • 15. Rayonnement Effet de serre A titre d’exemples:  les « piège à chaleur » des capteurs solaires (tôles métalliques avec traitements de surface): absorptivité 0,95, émissivité <0,05.  Radiateurs blancs (spectre solaire), forte émission dans les grandes longueurs d'onde.  La neige ne fondra que lentement au soleil (faible absorptivité dans le spectre solaire), fondra plus rapidement sous le rayonnement thermique d'un mur (le rayonnement thermique appartient au domaine de forte émissivité, donc de forte absorptivité). Matériaux Absorptivité hémisphérique globale α Emissivité hémisphérique ε à T= 300 K Carton goudronné noir 0,82 0,91 Brique rouge 0,75 0,93 Blanc de zinc 0,22 0,92 Neige propre 0,20...0,35 0,95 Chrome poli 0,40 0,07 Or poli 0,29 0,026 cuivre poli 0,18 0,03 cuivre, oxydé 0,70 0,45
  • 16. Stockage ( )         m kg st T V c t Génération d’énergie g dq V dt    Avec  : masse volumique (en kg.m3) V volume C chaleur massique (J.kg-1.K-1) dq/dt densité volumique d’énergie générée (en W.m-3) V en m3.
  • 17. Radiateur de composant La puissance se propage de la jonction vers le boîtier puis du boîtier vers le radiateur. On a les relations suivantes : On a Tj température de la jonction (°C ou K).; Ta température ambiante(°C ou K) ; P puissance dissipée ; Rth résistance thermique en °C/W ou K/W . j a th T T R P    j b th j b b r thb r th th j b thb r th r a r a th r a T T R P T T R R R R R P T T R P                        
  • 19. Chauffage par résistance Production de chaleur 2 j P R I   Réglage par train d’ondes
  • 21. Production de chaleur Chauffage par rayonnement infrarouge 4 4 2 1 2 . . .( ) P S T T     P en W S2 :surface du corps à chauffer. T1 température source. T2 température du corps à chauffer. facteur de forme :facteur compris entre 0 et 1 selon matériaux.  +5,67.10-8 W.m-2.K-1 ou °C-1 constante de Stefan-Boltzmann.
  • 22. Production de chaleur Chauffage par effet diélectrique (micro ondes) 2 0 . . . . P V E     =2f pulsation de la micro-onde. 0=1/(4. .10-9) permittivité du vide.  facteur de pertes dépend de f et de T température 10-3<<100. P en W