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Plan du document :

I. Introduction

II. Notion de chaleur

III. Notion de température

IV. Mesure de température

V. Echelles de températures

VI. Unité de chaleur

VII. Notion de capacité thermique massique

VIII. Notion d'enthalpie

IX. Chaleur latente de changement d'état

X. Flux de chaleur

XI. Transferts de chaleur

XII. Exemple de calcul simple

I. Introduction

A côté et en complément de la mécanique des fluides, la thermique est la discipline qui permet à l'ingénieur de comprendre et de décrire le fonctionnement d'un grand nombre d'équipements industriels qui ont comme caractéristique commune de mettre en oeuvre des échanges de chaleur. 

Notre civilisation industrielle, née au XVVIIème siècle, a été d'abord dominée par la vapeur, si bien que de nos jours, le thermicien est encore souvent défini dans l'industrie, comme « celui qui s’occupe des chaudières et des réseaux de vapeur ».

Pour se convaincre que l’aspect thermique des sciences et des techniques concerne réellement notre vie de tous les jours, il suffit de parcourir la liste des grandes inventions s’appuyant sur des échanges de chaleur, de 1600 à 1950, présentée dans le tableau ci-dessous:

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II. Notion de chaleur

En physique, on appelle chaleur une forme particulière de l'énergie. Cette équivalence de la chaleur et du travail constitue le premier principe de la thermodynamique. Il en résulte qu'énergie, travail et quantité de chaleur ont une même unité : le joule. 

A la base de l'étude des transferts thermiques se trouvent les concepts de quantité de chaleur et de différence de température. 

Le transfert de chaleur d'une partie d'une substance à une autre partie, ou d'un corps à un autre corps, s'effectue sous forme d'énergie cinétique d'agitation moléculaire désordonnée. 

Ce transfert est le fait d'une différence de température entre les deux corps . La chaleur se propage spontanément du corps ayant la température la plus élevée vers celui ayant la température la plus basse, élevant ainsi la température de ce dernier, tout en abaissant la température du premier, dans le mesure où le volume des deux corps reste constant. Ceci constitue le second principe de la thermodynamique. 

Ce second principe met en évidence la notion d'irréversibilité : La chaleur ne pourra pas se propager d'un corps froids vers un corps chaud, sauf si on fournit un travail. 

III. Notion de température

On appelle température la grandeur physique qui mesure le degré de chaleur d'un corps ou d'un milieu. 

Lorsque deux corps sont placés dans une enceinte adiabatique, le corps le plus chaud cède de la chaleur au corps le plus froid, jusqu'à ce que les deux corps aient la même température. On dit alors qu'on a atteint l'équilibre thermique. (Figure 1)

 > Voir schémas 

La température est une propriété thermodunamoqie du corps et mesure l'agitation miscroscopique de la matière. Selon la théorie cinétique, la température d'un corps est fonction de l'énergie cinétique moyenne de translation de ses molécules. (cf : légendes de la figure 1)

L'énergie cinétique d'un corps est nulle à une température appelée zéro absolu. 

IV. Mesure de température

On peut mesurer la température d'un corps en observant le changement de l'une de ses propriétés spécifiques, telle que la résistivité électrique ou bien le volume spécifique. Ainsi, le thermomètre à mercure mesure la dilatation d'une colonne de mercure dans un capillaire en verre, la variation de la longueur de la colonne étant reliée à la température. 

La résistance émectrique d'un conducteur ou d'un semi-conducteur augmente avec la température. Ce phénomène est à la base du thermomètre à résistance, dans lequel une tension constante, ou potentiel électrique, est appliquée à la thermistance, partie sensible du capteur. Pour une thermistance de composition donnée, la mesure d'une température donnée induit une resistance spécifique avec la thermistance. Cette résistance peut se mesurer à l'aide d'un galvonomètre et donne une mesure de la température. 

Diverses thermistance faites d'oxydes de nickel, de manganèse ou de cobalt sont utilisées pour mesurer les températures entre -46°C et 150°C. De même, des thermistances utilisant d'autres métaux ou alliages peuvent être employées à des températures plus élévées : le platine, par exemple ( jusqu'à 930 °C). Avec des circuits de transformation du signal adéquats, la mesure du courant peut être convertie en mesure numérique directe de la température. 

Des mesures de température très précises peuvent être faites avec des thermocouples dans lesquels une faible différence de tension (se mesurant en millivolts) apparaît lorsque deux fils de métaux différents sont réunis pour former une boucle dont les deux liaisons sont portées à des températures différentes. Suivant le type de thermocouple, on peut mesurer des températures allant de - 200?°C à 2 300?°C. Pour les températures très élevées, et pour des milieux agressifs, le thermocouple doit être protégé dans une gaine d'alumine. Pour accroître le signal de tension, plusieurs thermocouples peuvent être connectés en série pour former une thermopile. La tension dépendant de la différence entre les températures des liaisons, l'une de ces liaisons doit être maintenue à une température de référence connue, sinon, un circuit de compensation électronique doit être intégré au système pour mesurer la température réelle du capteur.

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V. Echelles de températures

On utilise plusieurs échelles de température, parmi celles-ci, l'échelle Celsius, l'échelle Fahrenheit (dans les pays anglo-saxons), l'échelle de température thermodynamique.

L'échelle Celsius, qui fixe la température de congélation de l'eau à 0?°C et sa température d'ébullition à 100?°C, est utilisée dans le monde entier.

Dans l'échelle Fahrenheit, utilisée dans les pays anglophones pour la vie courante, la température de congélation de l'eau est fixée à 32?°F et sa température d'ébullition à 212?°F.

Dans le système international SI, l'unité thermique de base est le kelvin (K), unité de température thermodynamique. Jusqu'en 1954, l'échelle de température était définie à partir de l'écart de 100 degrés entre les points de congélation et d'ébullition de l'eau. Cette définition, peu précise, a été remplacée en 1967 par la définition actuelle, qui utilise un point fixe fondamental : le point triple de l'eau. Ainsi, le kelvin est égal à 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau. Ce point décrit les conditions de pression et température d'équilibre de l'eau sous ses trois états : liquide, solide et gaz.

La température absolue coïncide avec la température de l'échelle thermodynamique. En cryogénie, où l'on cherche à obtenir des températures aussi basses qe 0.00001 K, on utilise la démagnétisation de matériaux paramagnétiques. A l'autre extrémité de l'échelle, des températures momentanées supérieures à 100 millions de K ont été observées lors d'explositions nucléaires. 

VI. Unité de chaleur

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VII. Notion de capacité thermique massique

 On appelle capacité thermique massique C la quantité de chaleur qu'il faut appliquer à 1 kg de matière pour élever sa température de 1 K. 

D'après la loi formulée par les chimistes français Pierre Louis Dulong et Alexis Thérèse Petit, les capacités thermiques massiques des éléments solides sont inversement proportionnelles à leurs masses atomiques. Ainsi, le produit de la capacité thermique massique par la masse atomique est constant pour tous les éléments solides. 

Du fait qu'un gaz chauffé se dilate, des calories supplémentaires sont nécessaires pour agumenter sa température, puisqu'une partie de cette énergie est utilisée pour la dilatation du gaz. C'est la raison pour laquelle, dans le cas d'un gaz, il faudra distinguer la capacité thermique massique à pression constante C_p et ka capacité thermique massique à volume constant C_v. La capacité thermique massique à pression constante sera toujours supérieure à la capacité thermique massique à volume constant. 

Dans le système international d'unités, la capacité thermique massique est exprimée de J/(kg.K)

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VIII. Notion d'enthalpie

On appelle enthalpie, en thermodynamique, la fonction d'état d'un système, définie par la relation : 

H = U + pV

U étant l'énergie interne du système par unité de masse,

p et V étant respectivement la pression et le volume du système.

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IX. Chaleur latente de changement d'état

Certains changements physiques sont associés aux changements de température d'un corps. Presque tous les corps se dilatent lorsqu'ils sont chauffés et se contractent en se refroidissant. 

La phase d'un corps pur est l'état, solide, liquide ou gazux qu'il prend selon les conditions de température et de pression. 

Le passage d'un corps de l'état solide à l'état gazeux est appelé sublimation, de l'état solide à l'état liquide, fusion et de l'état liquie à l'état de vapeur, vaporisation. Si la pression est constante, ces processus ont lieu à une température constante. Une certaine quantité de chaleur est requise pour réaliser ces trois changements d'état. Elle est appelée chaleur latente. Ainsi il existe des chaleurs latentes de sublimation, de fusion et de vaporisation.

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X. Flux de chaleur

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XI. Transferts de chaleur

On appelle transferts de chaleur, les processus par lesquels de l'énergie est échangée sous forme de chaleur entre des corps ou des milieux à des températures différentes T₁ et T₂.

La chaleur peut être transmise par conduction, convection ou rayonnement. Bien que les trois processus puissent avoir lieu simultanément, l'un des mécanismes est généralement prépondérant. Par exemple, la chaleur est principalement transmise par conduction à travers les murs en brique d'une maison?; l'eau dans une casserole placée sur une cuisinière est surtout chauffée par convection?; la Terre reçoit sa chaleur du Soleil en grande partie par rayonnement.

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XII. Exemple de calcul simple

En complément à l'étude des notions théoriques présentées dans ce cours, il est nécessaire de se livrer à des calculs de cas plus ou moins schématiques, afin d'une part de développer une connaissance correcte des lois physiques, et d'autre part afin de réfléchir sur les ordres de grandeurs des différentes quantités impliquées. 

Afin de faciliter et d'encourager cette pratique, il a paru plus utile d'adjoindre à cette seconde édition du cours de thermique, un outil logiciel permettant de réaliser rapidement de nombreuses applications numériques. 

Cet outil se présente sous la forme d’une collection de petits applicatifs, conçus initialement pour être exécutés sur un ordinateur personnel standard de type PC.

Afin d’offrir un niveau de portabilité suffisant, le code source est écrit en langage C, ce qui offrira de surcroît des possibilités intéressantes de collaboration entre les enseignements d’informatique et de physique.

On trouvera en annexe, le code source de ces applicatifs qui permettront de se familiariser avec les connaissances du cours de thermique. La structure de ces programmes sera toujours la même, et vise à offrir une convivialité suffisante, pour une complexité de programmation minimale. On y trouvera une présentation de l’application proposée, un rappel des lois physiques à appliquer et les valeurs des constantes physiques entrant en jeu. Pour ce qui est du dimensionnement physique caractérisant l’application, il restera libre et facilité par un outil de saisie, afin d’inciter l’utilisateur à découvrir l’influence respective des différents paramètres.

Le premier applicatif fourni en illustration de ce premier chapitre, est consacré à l’étude de la fusion d’un lingot d’aluminium. Nous le présentons ci-dessous d’une manière détaillée (ce qui ne sera plus fait dans les chapitres suivants).

L’écran principal permettant de piloter l’application, se présente comme ci-dessous, et consiste en un menu offrant 7 options :

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