Qu'est-ce que l'efficacité du transfert de chaleur ?

L'efficacité du transfert de chaleur désigne la capacité d'un système à transférer la chaleur d'un point à un autre de manière optimale.

Quels sont les facteurs affectant le transfert de chaleur ?

Les facteurs affectant le transfert de chaleur incluent la conductivité thermique, la surface de contact, la différence de température et la nature du matériau.

Comment améliorer l'efficacité du transfert de chaleur ?

Pour améliorer l'efficacité du transfert de chaleur, on peut augmenter la surface de contact, utiliser des matériaux à haute conductivité thermique et optimiser la température.

Pourquoi l'efficacité du transfert de chaleur est-elle importante en physique ?

L'efficacité du transfert de chaleur est cruciale en physique car elle influence la performance des systèmes thermiques et énergétiques, affectant l'économie et la durabilité.

Efficacité du transfert de chaleur: Conduction, Convection

Signification de l'efficacité du transfert de chaleur

L'énergie thermique est définie comme l'énergie associée à la température d'un objet. Les objets chauds ont généralement une plus grande quantité d'énergie thermique que les objets froids. L'énergie thermique peut être transformée à partir d'autres formes d'énergie par la friction, les courants électriques et même la résistance de l'air.

Le transfert de chaleur est le flux d'énergie thermique des régions à haute température vers les régions à plus basse température. Cela signifie que l'énergie thermique est transférée d'objets chauds à des objets froids qui sont proches les uns des autres. Tu connais probablement déjà ce phénomène ; nous utilisons de la glace pour garder les boissons fraîches lorsqu'il fait chaud. Le liquide transfère de l'énergie thermique à la glace froide, qui augmente sa température et fond. Ce processus extrait l'énergie thermique du liquide, ce qui refroidit la boisson.

Le sujet de cet article est l'efficacité du transfert de chaleur. Nous pouvons tout d'abord énoncer une définition générale comme suit :

L'efficacité du transfert de chaleur est le rapport entre le transfert d'énergie thermique utile en sortie et le transfert total d'énergie thermique en entrée.

Lorsque l'énergie est transférée entre différentes formes, une partie de l'énergie est généralement perdue en une forme d'énergie non désirée au cours de la conversion et est gaspillée dans l'environnement. En raison de la conservation de l'énergie, la production totale d'énergie du système comprend à la fois la production d'énergie utile et l'énergie dissipée (perdue). L'efficacité peut être calculée en pourcentage et ne peut pas dépasser 100 %, car cela signifierait que le transfert a produit plus d'énergie qu'il n'en a absorbée ! La formule utilisée pour calculer l'efficacité du transfert de chaleur est présentée ci-dessous, où l'on peut utiliser soit l'énergie, soit la puissance. Plus l'efficacité est élevée, plus la proportion d'énergie perdue est faible et vice versa.

L'équation de l'efficacité du transfert de chaleur

Nous pouvons écrire mathématiquement la définition de l'efficacité du transfert de chaleur comme suit :

$\begin{array}{rcl} heat transfer efficiency & = & \frac{useful heat output}{total heat input} \end{array}$

Nous pouvons noter dans cette équation que le numérateur et le dénominateur sont tous deux des quantités mesurées dans l'unité des joules $(J)$ . Il est donc clair que l'efficacité n'a pas d'unité et qu'il s'agit simplement d'un nombre. Cette équation nous permet d'identifier la quantité d'énergie thermique transférée utilement d'un système à un autre. Rappelle-toi que l'énergie transférée par unité de temps est la puissance de sortie du système ; il s'ensuit que nous pouvons écrire l'efficacité du transfert de chaleur d'une autre manière :

$heat transfer efficiency = \frac{useful heat power output}{total heat power input}$

Mécanismes à prendre en compte pour l'efficacité du transfert de chaleur

Le transfert de chaleur se produit par le biais de trois mécanismes principaux : la conduction, la convection et le rayonnement. L'énergie est transférée par l'intermédiaire de chaque mécanisme, mais les processus sont différents. L'efficacité du transfert de chaleur peut être calculée indépendamment du mécanisme responsable du transfert de chaleur, car dans la plupart des situations réelles, la chaleur sera transférée en utilisant une combinaison de ces mécanismes.

Conduction

La conduction est le mécanisme de transfert de chaleur entre deux substances en contact direct. La substance à une température plus élevée a des collisions d'atomes plus énergiques, qui transfèrent progressivement l'énergie thermique à la substance plus froide. La conduction est le flux d'énergie thermique qui traverse un objet et pénètre dans un autre, ainsi que le mécanisme par lequel la chaleur se diffuse à travers un objet solide. L'image ci-dessous montre la conduction de l'énergie thermique d'une tige métallique à partir de la flamme d'une bougie.

Efficacité du transfert de chaleur Illustration montrant une main tenant une tige métallique au-dessus d'une bougie StudySmarter L'image montre la chaleur transférée de la flamme d'une bougie à une tige de métal par conduction. La conduction se produit lorsque l'énergie thermique est transférée entre des objets, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

Convection

La convection est un mécanisme de transfert de chaleur qui se produit dans les liquides et les gaz qui se dilatent lorsqu'ils sont chauffés. Les particules chaudes deviennent moins denses que leur environnement, ce qui les fait monter, et des particules plus froides se déplacent pour prendre leur place. Ces particules plus froides sont alors chauffées, et le processus se répète. Cela crée un courant de convection qui transfère la chaleur d'une particule à l'autre.

Un exemple de convection est le transfert de chaleur qui se produit dans le manteau de la terre. Les couches extrêmement chaudes du manteau les plus proches du noyau se déplacent vers la surface de la terre car elles sont moins denses que les couches de roches plus froides situées dans les régions plus élevées du manteau. Les roches plus froides s'enfoncent plus près du noyau et se réchauffent suffisamment pour que le processus se répète. Il se produit un courant de convection qui déplace très lentement la matière dans le manteau. La figure ci-dessous illustre cet effet.

Diagramme d'efficacité du transfert de chaleur des courants de convection dans le manteau StudySmarter Cette image montre les courants de convection qui résultent de la différence de densité de la matière dans différentes régions du manteau terrestre, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0.

Le rayonnement

Le rayonnement est l'énergie émise sous forme de radiation électromagnétique infrarouge par des surfaces chauffées. Les propriétés du rayonnement thermique dépendent du type de surface du matériau et de sa température. Il se produit lorsque des charges en mouvement à l'intérieur d'un objet sont décélérées et que leur énergie est convertie en ondes électromagnétiques. L'image ci-dessous montre un exemple de rayonnement thermique émis par un feu.

Efficacité du transfert de chaleur Illustration de mains chauffées par le rayonnement d'un feu de bois StudySmarter

La figure montre le rayonnement thermique créé par un feu lorsque des ondes infrarouges sont émises par le mouvement des électrons et des protons dans l'air environnant, adapté de l'image de Kmecfiunit CC BY-SA 4.0.

Le principe de la conservation de l'énergie stipule que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais qu'elle peut seulement changer de forme d'une énergie à l'autre au sein d'un système. Cependant, dans la pratique, lorsque l'énergie est transférée d'une forme à une autre, une partie de l'énergie transférée est presque toujours perdue dans l'environnement. Cette énergie ne peut pas être utilisée par le système, c'est pourquoi on parle d'énergie perdu e ou dissipée. Il y a toujours une certaine perte de chaleur dans tous les systèmes de transfert de chaleur. Si nous réduisons la quantité d'énergie thermique perdue par un système, nous pouvons augmenter l'efficacité de ce système.

Calculs de l'efficacité du transfert de chaleur

Une bouilloire est utilisée pour chauffer de l'eau. L'énergie thermique de $1000 J$ est transférée de l'élément chauffant à la bouilloire, et une énergie thermique de $820 J$ d'énergie thermique est transférée de la bouilloire à l'eau. Trouve le rendement de l'énergie transférée à l'eau.

Réponse : Nous pouvons appliquer l'équation de l'efficacité du transfert de chaleur de la façon suivante :

\begin{array}{rcl} heat transfer efficiency & = & \frac{useful heat output}{total heat output} \times 100 % \\ = & \frac{820}{1000} \times 100 % \\ = & 82 % \end{array}

Nous multiplions par 100 pour convertir la fraction en pourcentage. Au final, seulement 82 % de l'énergie thermique de la bouilloire sert à chauffer l'eau. Le reste a été perdu dans l'air ambiant et dans le corps de la bouilloire par conduction et convection.

Un moteur reçoit $450 J$ de l'énergie électrique provenant d'une source d'alimentation. $20 %$ Une partie de cette énergie est perdue. Trouve le rendement du moteur.

Réponse : Nous pouvons d'abord écrire l'équation de l'efficacité du transfert de chaleur comme suit :

$heat transfer efficiency = \frac{useful heat output}{total heat input} \times 100 %$

Nous trouvons la quantité d'énergie utile produite en soustrayant l'apport total d'énergie de $450 J$ par la quantité d'énergie perdue.

$\begin{array}{rcl} useful heat output & = & 450 - (450 \times \frac{20}{100}) \\ = & 450 - 90 \\ = & 360 J \end{array}$

Enfin, nous substituons la production d'énergie utile et la production d'énergie totale dans l'équation de l'efficacité.

$\begin{array}{rcl} heat transfer efficiency & = & \frac{useful heat output}{total heat input} \times 100 % \\ = & \frac{360}{450} \times 100 % \\ = & 80 % \end{array}$

Q. Trouve l'énergie gaspillée dans un système si la production de chaleur utile est de $350 J$ alors que l'apport total de chaleur est de $900 J$ . Quel est le rendement du système ?

A. Pour trouver l'énergie gaspillée, nous soustrayons la production de chaleur utile de l'apport total de chaleur. Cela nous donne $550 J$ comme indiqué ci-dessous.

$Wasted Energy = 900 J - 350 J = 550 J$

Ensuite, pour trouver l'efficacité du transfert de chaleur, nous utilisons la formule.

$\begin{array}{rcl} heat transfer efficiency & = & \frac{useful heat output}{total heat input} \times 100 % \\ = & \frac{350}{900} \times 100 % \\ = & 40 % \end{array}$

Facteurs affectant l'efficacité du transfert de chaleur

Dans différentes applications, nous pouvons vouloir concevoir des dispositifs pour améliorer ou restreindre l'efficacité du transfert de chaleur dans un système en fonction de l'objectif. Nous décrivons ci-dessous certaines applications qui améliorent le transfert de chaleur et d'autres qui le restreignent.

Améliorer l'efficacité du transfert de chaleur

Ailerons de refroidissement

Les ailettes de refroidissement utilisent la conduction et la convection pour transférer la chaleur loin des objets qui génèrent de la chaleur et doivent rester froids. Elles augmentent la surface sur laquelle la chaleur peut être transférée au fluide environnant par conduction et convection, et constituent une méthode efficace pour améliorer le transfert de chaleur. L'image ci-dessous montre un exemple d'ailettes de refroidissement sur une moto, utilisées pour garder le moteur froid.

Efficacité du transfert de chaleur Ailettes de refroidissement sur une moto StudySmarter Le moteur d'une moto est entouré d'ailettes de refroidissement afin de transférer la chaleur sur une plus grande surface, et donc de le garder au frais.

Casseroles en cuivre

Si tu as la chance d'avoir des casseroles de haute qualité dans ta cuisine, tu verras peut-être qu'elles ont une base en cuivre. En effet, la principale méthode utilisée par une casserole pour transférer la chaleur de la cuisinière aux aliments est la conduction. Tu sais peut-être déjà que le cuivre est un excellent conducteur d'électricité et qu'il est aussi un excellent conducteur de chaleur ! En utilisant du cuivre dans la partie de la casserole qui est en contact avec la cuisinière, il y a moins de résistance thermique au transfert de la chaleur de la cuisinière vers la casserole. Cela signifie que la poêle peut se réchauffer plus rapidement et qu'elle est meilleure pour cuisiner.

Limiter l'efficacité du transfert de chaleur

Double vitrage

Les fenêtres à double vitrage sont composées de deux vitres au lieu d'une. Les vitres sont séparées par une couche de gaz, généralement de l'argon, qui est un mauvais conducteur de chaleur. Les deux vitres sont également placées suffisamment près l'une de l'autre pour qu'un courant de convection ne puisse pas se former dans le gaz entre elles. Le double vitrage a pour but d'empêcher la conduction ou la convection entre l'intérieur de la maison et l'extérieur. Le double vitrage est une méthode efficace pour restreindre le transfert de chaleur.

Gants de four

Lorsque nous manipulons des objets chauds provenant d'un four, nous utilisons souvent des gants de cuisine pour protéger nos mains des brûlures. Ceux-ci fonctionnent en séparant l'objet chaud et ta peau à l'aide d'une épaisse couche de matériau isolant comme le coton ou le silicone. Ces matériaux augmentent la résistance thermique au transfert de chaleur par conduction, ce qui diminue la vitesse à laquelle l'énergie thermique est transférée à travers le gant.

Efficacité du transfert de chaleur - Principaux points à retenir

L'efficacité du transfert de chaleur est le rapport entre le transfert d'énergie thermique utile en sortie et le transfert total d'énergie thermique en entrée.
La définition de l'efficacité du transfert de chaleur peut s'écrire mathématiquement comme suit

$\begin{array}{rcl} heat transfer efficiency & = & \frac{useful heat output}{total heat input} \end{array}$

Le transfert de chaleur s'effectue par trois mécanismes : la conduction, la convection et le rayonnement.
La conduction est le mécanisme de transfert de chaleur entre deux substances à des températures différentes en contact direct avec des collisions atomiques qui transfèrent la chaleur entre les substances.
La convection est le mécanisme de transfert de chaleur par l'intermédiaire des liquides et des gaz qui se dilatent lorsqu'ils sont chauffés.
Le rayonnement est l'énergie émise sous forme de radiation électromagnétique infrarouge par des surfaces chauffées.

Efficacité du transfert de chaleur

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