Thermal engineering is one of the most fundamental areas of mechanical and chemical engineering, with the study of heat transfer being one of the most significant disciplines. Heat is energy, so heat transfer is practically energy transfer that takes place in small scale but affects large systems such as renewable energy harvesting units, industrial cooling systems, steam power plants, etc. In this post, we will take a look at the basics of thermal engineering and heat transfer, mentioning the basic concepts and calculations that engineers perform in order to determine the performance of heat exchange, cooling, and heating systems.
Deuxième loi de la thermodynamique
Avant de passer aux considérations mathématiques sur le transfert de chaleur, il est important de mentionner que, selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur ne peut être transférée que d’un objet chaud à un objet plus froid. En effet, pour un système isolé, l’entropie a tendance à augmenter jusqu’à une valeur maximale. L’énergie est donc pratiquement dissipée entre les éléments du système et, avec le temps, toutes les particules de masse auront la même quantité d’énergie, ou de chaleur si vous préférez. Cela dit, il ne peut y avoir de flux de chaleur d’un objet plus froid vers un objet plus chaud, car cela enfreint la deuxième loi de la thermodynamique.
Quantités, formules et propriétés de base
En continuant là où nous nous sommes arrêtés au paragraphe précédent, je vais commencer par l’entropie qui est symbolisée par « S » et est reliée à « Q » qui est l’énergie thermique (mesurée en Joules) et « T » qui est la température (mesurée en Kelvin). Pour un système isolé, l’entropie augmentera jusqu’à une valeur maximale, nous avons donc ΔS = Q/T, ce qui signifie que la valeur S initiale et finale est déterminée par l’énergie thermique totale et la température du système.
Pour aller plus loin, et puisque le transfert de chaleur a lieu au niveau moléculaire, il est important que les ingénieurs soient capables de calculer le nombre de moles d’un matériau pour une masse donnée (mesurée en grammes). Ce calcul s’effectue à l’aide de la formule n = m/M où « M » est la masse molaire fournie (ou dérivée). Par exemple, la masse molaire de l’eau est d’environ 18 g/mol, donc si vous avez 500 grammes d’eau, vous avez en fait 27,7 moles d’eau. Pour déterminer le rapport entre les moles et les molécules, il faut multiplier 27,7 par le nombre d’Avogadro, qui est de 6,02*1023. Le résultat est symbolisé par « N ».
Une considération fondamentale est la chaleur spécifique, qui indique la quantité d’énergie par unité de masse suffisante pour élever la température d’un objet d’un degré Celsius. Elle relie la différence de température à la quantité d’énergie échangée, et est donnée par la formule « Q=cmΔΤ ». La partie « c » est la chaleur spécifique qui est fournie par des tableaux et mesurée en « Joule/gr*Celsius ».
Ensuite, nous avons le taux de transfert de chaleur « Qdot » mesuré en Joules par seconde qui est important pour l’évaluation des performances des échangeurs de chaleur, et un indicateur du moment où un système a atteint l’équilibre thermique. De même, il y a le flux de chaleur (vecteur q), qui indique la quantité d’énergie en Joules par seconde (Watts) qui circule depuis ou vers un mètre carré de surface d’un échangeur de chaleur. Ce flux dépend de la différence de température entre les deux corps qui constituent les éléments d’échange d’énergie, de l’épaisseur (dx) et de la conductivité thermique (k) qui est déterminée expérimentalement. Par exemple, l’eau a une valeur « k » de 0,591 W/(m*K). La formule qui nous permet de calculer le flux de chaleur est qvector=-k(dT/dx) ou alternativement « P=dQ/dt » pour un résultat plus générique de l’énergie globale sans considération de la surface et de l’épaisseur des corps.
Comme les matériaux ont une valeur de conductivité thermique intrinsèque, ils ont également une propriété de résistance thermique intrinsèque qui est symbolisée par « R » et est mesurée en Kelvin*m^2/Watt. La formule qui fournit la résistance thermique est « R=ΔΤ/q » ou « R=dx/k » si nous considérons à nouveau l’épaisseur du matériau pour le calcul de l’isolation thermique.
Enfin, nous devons également inclure la propriété de la chaleur latente qui est symbolisée par « QL » et est donnée par la formule : QL=m*L où « L » est la valeur spécifique de la chaleur latente donnée par des tableaux et mesurée en kJ/kg. La chaleur latente est la quantité d’énergie nécessaire pour qu’un matériau change de phase sans changer de température. Par exemple, pour transformer de l’eau liquide en vapeur, nous devons fournir une quantité spécifique d’énergie aux molécules d’eau pour que l’eau bouille et se transforme en gaz. Comme nous fournissons cette énergie sous forme de chaleur, l’eau bout à une température stable de 100 degrés Celsius, se vaporisant en vapeur. La quantité d’énergie utilisée pour cette transition de phase à une température stable est appelée chaleur latente.
Exemple de calculs thermiques de base
Voici un exemple simple de refroidissement d’un objet chaud en l’immergeant dans un réservoir d’eau. La deuxième loi de la thermodynamique nous apprend qu’avec un temps suffisant, l’objet chaud et l’eau atteignent un équilibre thermique. Supposons que le réservoir soit situé à l’intérieur, à une température constante de 20 degrés Celsius, de sorte que notre système soit défini, et que le réservoir soit rempli de 100 kg d’eau. Nous plongeons un objet de 10 kg de masse en fonte qui a une chaleur spécifique de 0,46 joule/gr*Celsius et une température de 500 degrés Celsius. Quelle sera la température finale ?
En utilisant la formule décrite dans la section « chaleur spécifique » de notre post, nous supposons que l’énergie thermique qui sera perdue par l’objet en fonte sera la même que l’énergie thermique acquise par l’eau dans le processus. Nous avons donc Qci = Qw => cmciΔΤci = cmwΔΤw => 0.46*10000*(500-Tfinal) = 4.186*100000*(Tfinal-20) => Tfinal = 25.2 degrés Celsius. Ce sera la température finale à la fois de l’eau dans le réservoir et de l’objet en fonte.
