Transfert de chaleur par conduction
La conduction est le mode de transfert de chaleur sans déplacement apparent de la matière sous l'effet d'un gradient de température. C'est le seul mode de transfert intervenant au sein des milieux solides.
Le transfert de chaleur par conduction à l'intérieur d'un corps s'effectue selon deux mécanismes distincts : une transmission par la vibration des atomes et une transmission par les électrons libres.
Loi de Fourier
La théorie de la conduction repose sur l'hypothèse de Fourier : le flux de chaleur transféré dans une direction donnée est proportionnel au gradient de température dans cette direction.
La loi de Fourier s'écrit donc :
(1)
où :
: flux de chaleur, W
: conductivité thermique, W/(m.K)
: Surface d'échange, m2
: gradient de température en x, K/m
Remarque :
Le signe (−) dans l'équation est dû au fait que le flux de chaleur circule dans le sens opposé au gradient de température.
L'équation (1) indique que le flux de chaleur est :
proportionnel au gradient de la température
augmente avec la conductivité
se fait dans la direction des températures décroissantes
Les conductivités de quelques aliments, solvants, métaux et autres matériaux sont reportées dans le tableau 1.
Notion de résistance thermique
La loi de Fourier présente une certaine analogie avec la loi d'Ohm où le gradient du potentiel électrique joue le rôle du gradient de température et le flux de chaleur celui du courant électrique. On peut donc établir les correspondances suivantes :
Le tableau 2 permet d'établir la définition générale de la résistance thermique :
(2)
L'équation 1 peut donc s'écrire :
(3)
ou :
(4)
où
est la densité de flux de chaleur en (W/m2) et
est la résistance thermique en (m2.K/W).
Matériau | Conductivité thermique (W/(m.K)) | Température (° C) |
|---|---|---|
Aliments | ||
Jus de pomme | 0.56 | 20 |
Avocat | 0.43 | 28 |
Pain | 0.16 | 25 |
Carotte | 0.56 | 40 |
Lait | 0.56 | 20 |
Huile d'olive | 0.17 | 20 |
Orange | 0.41 | 15 |
Pêche | 0.58 | 28 |
Eau | 0.57 | 20 |
Gaz | ||
Air | 0.024 | 0 |
Air | 0.031 | 100 |
Dioxyde de carbone | 0.015 | 0 |
Azote | 0.024 | 0 |
Métaux | ||
Aluminium | 220 | 0 |
Cuivre | 388 | 0 |
Inox | 17-21 | 20 |
Autres matériaux | ||
Brique | 0.69 | 20 |
Béton | 0.87 | 20 |
Mousse de polystyrène | 0.036 | 0 |
Différence de potentiel,
| ⇐⇒ | Gradient de température,
|
Intensité du courant,
| ⇐⇒ | Flux de chaleur,
|
Résistance électrique,
| ⇐⇒ | Résistance thermique,
|
Loi d'Ohm,
| ⇐⇒ | Par analogie avec l'électricité,
|
