Le document aborde les principes fondamentaux de la thermique, notamment la chaleur et les différents modes de transfert thermique, tels que la conduction, la convection et le rayonnement. Il discute également des systèmes de chauffage comme la chaleur par résistance, par induction et par rayonnement infrarouge, ainsi que des facteurs influençant l'absorption, la réflexion et la transmission de la chaleur dans divers matériaux. Des formules clés et des concepts tels que la capacité calorique et la résistance thermique sont présentés pour expliquer le fonctionnement des systèmes thermiques.

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
 
   

12. Convection
naturelle forcée

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

   

 
 

 
   


 
 


18. Capacité Thermique

19. Chauffage par résistance
Production de chaleur
2
j
P R I
 
Réglage par train d’ondes

20. Production de chaleur
Chauffage par induction

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