Qu'est-ce que le transfert de chaleur ?

Le transfert de chaleur représente le mouvement de l'énergie thermique, sous forme de chaleur, entre des systèmes physiques de températures différentes, par l'intermédiaire de quatre mécanismes distincts : advection, conduction, convection et rayonnement. Le transfert de chaleur est impliqué dans la plupart des aspects de la vie moderne, allant de la cuisson des aliments au refroidissement d'un ordinateur portable, en passant par la production d'électricité dans une centrale électrique. Chaque jour, sous l'action du rayonnement solaire, le réchauffement de la Terre représente un processus de transfert de chaleur, au même titre que les orages qui sont causés par des courants de convection dans l'atmosphère terrestre.

Le transfert de chaleur se produit naturellement dès lors qu'il existe un écart de température entre deux systèmes, comme le décrit la deuxième loi de la thermodynamique. Les ingénieurs utilisent également des appareils de transfert de chaleur pour déplacer de l'énergie sous forme de chaleur d'un endroit à un autre. Ils peuvent ainsi apporter de la chaleur là où cela est nécessaire, et en retirer là où cela peut s'avérer problématique. La sécurité, l'efficacité et la performance des produits sont déterminées par le maintien de la température de chacun de leurs composants dans une plage de température souhaitée.

Le transfert de chaleur consiste fondamentalement à déplacer de l'énergie sous forme de chaleur d'un système vers un autre. Cette discipline repose sur l'observation de la quantité d'énergie qui est stockée ou transférée sous forme de chaleur, et sur les différentes manières permettant de la transporter à travers divers systèmes.

Voici quelques termes importants utilisés dans le transfert de chaleur et leur signification.

Courants de convection

On parle de courants de convection lorsqu'un fluide est soumis localement une augmentation de température, et que sa densité diminue du fait de ce réchauffement. Cette diminution de densité crée une force de flottabilité qui a pour effet de déplacer le fluide le plus chaud vers le haut jusqu'à ce qu'il refroidisse. Par la suite, cette zone de fluide se refroidit et sa densité augmente, ce qui la soumet à une force de flottabilité négative qui l'entraîne alors vers le bas. Ce phénomène peut facilement être observé dans une casserole d'eau bouillante contenant des spaghettis, où les courants de convection déforment et font tourner les pâtes dans l'eau.

Capacité thermique ou inertie thermique

La capacité thermique d'un système représente la quantité de chaleur qu'il faut lui apporter pour augmenter sa température d'un degré. Plus la capacité thermique est élevée, plus il faudra apporter d'énergie pour augmenter sa température. C'est une valeur importante dans le transfert de chaleur, car elle nous renseigne sur la manière dont les matériaux réagissent à la chaleur, et à quelle vitesse la température de l'objet en question peut augmenter ou diminuer.

Flux de chaleur

Le flux de chaleur mesure la quantité d'énergie transférée par unité de surface. Il correspond à la valeur totale de la chaleur divisée par l'aire de la surface où il est mesuré. Il s'agit d'une valeur critique dans le transfert de chaleur, car elle renseigne les ingénieurs sur la quantité d'énergie se déplaçant d'un objet vers un autre, ou d'un objet vers un fluide.

Génération de chaleur

La génération de chaleur est la création d'énergie thermique par l'intermédiaire de processus divers, notamment les réactions chimiques, la combustion, la fusion nucléaire, la fission nucléaire, la thermoélectricité, la résistance électrique, les frottements mécaniques, ou encore les variations de pression dans un fluide.

Coefficient de transfert de chaleur

Le coefficient de transfert de chaleur (h) d'une surface mesure la relation entre le flux de chaleur au niveau d'une surface en contact avec un fluide et l'écart de température entre la surface et le fluide. Il est possible de calculer cette valeur si la vitesse et les propriétés thermiques du fluide sont connues. Il est aussi parfois appelé coefficient de transfert thermique.

Transfert de masse

Parallèlement au transfert de chaleur qui caractérise un déplacement de chaleur d'un système vers un autre, le transfert de masse caractérise un déplacement de masse. Il s'agit d'un concept important dans le transfert de chaleur, car toute masse se déplaçant d'un système à un autre est dotée d'une énergie thermique interne qui se déplace avec elle. La circulation de l'air au-dessus d'un dissipateur thermique est considérée à la fois comme un transfert de masse et comme un transfert de chaleur.

Changement de phase

Lorsque la matière passe d'un état à un autre, elle subit un changement de phase. Le changement de phase n'est pas un transfert de chaleur au sens strict, mais il est utilisé avec le transfert de chaleur pour contrôler les températures dans les systèmes. Lors d'un changement de phase, les modifications des liaisons moléculaires à l'intérieur du matériau ont pour effet d'absorber de l'énergie s'il s'agit d'un passage de l'état solide à l'état liquide (fusion) ou de l'état liquide à l'état gazeux (ébullition ou vaporisation), et de libérer de l'énergie s'il s'agit d'un passage de l'état gazeux à l'état liquide (condensation) ou de l'état liquide à l'état solide (congélation). Les ingénieurs ont souvent recours au changement de phase pour retirer ou apporter de la chaleur à un système.

Température

La température est une mesure de l'énergie cinétique des atomes et des molécules qui vibrent et entrent en collision à l'intérieur d'un objet.

Conductivité thermique

La conductivité thermique (k) d'un matériau est une mesure de la capacité de ce matériau à conduire la chaleur. L'inverse de la conductivité thermique est la résistivité thermique.

Énergie thermique ou chaleur

La chaleur est l'énergie interne de la matière qui se manifeste par le mouvement microscopique des particules subatomiques, des atomes et des molécules dont elle est composée. Plus la température est élevée, plus l'énergie est élevée. Au sens le plus strict, la chaleur représente uniquement la quantité d'énergie thermique transférée. Cependant, la plupart des gens ne font pas de distinction entre la chaleur et l'énergie thermique.

Équilibre thermique

L'équilibre thermique représente l'état d'un système de deux objets en contact se trouvant à la même température. Lorsque l'équilibre thermique est atteint, le transfert de chaleur entre les deux objets s'arrête.

Thermodynamique

La thermodynamique est un domaine de la physique qui se concentre sur l'étude de la chaleur, du travail et de la température, et de la manière dont ces grandeurs influent sur l'énergie et l'entropie des systèmes, ainsi que sur les propriétés physiques de la matière. Elle est décrite par les quatre lois de la thermodynamique. La physique du transfert de chaleur est la partie de la thermodynamique qui traite du flux de chaleur entre les objets.

Le transfert d'énergie thermique entre différents systèmes peut se produire selon un de ces quatre modes, et il consiste en un flux de chaleur allant de l'objet le plus chaud vers l'objet le plus froid. Dans la plupart des cas, au moins deux types de transfert de chaleur se produisent simultanément, selon que les objets impliqués sont en contact, entourés d'un fluide, ou visibles les uns par rapport aux autres. 

Voici une brève définition de chaque mode.

Advection

L'advection thermique désigne le mécanisme de transfert d'énergie thermique au cours duquel la chaleur est transportée d'un endroit à un autre par l'intermédiaire du mouvement et de la quantité de mouvement d'un fluide. L'advection est parfois appelée convection forcée pour la différencier de la définition formelle de la convection. En effet, lors d'un phénomène d'advection, la circulation du fluide n'est pas causée par des forces de flottabilité, mais plutôt par un ajout d'énergie au système.

Un ventilateur refroidissant une carte mère d'ordinateur est un exemple de transfert de chaleur advectif.

Conduction thermique

La conduction thermique décrit le transfert de chaleur entre deux objets placés en contact direct, ou à l'intérieur d'un même objet dont la température n'est pas uniforme en tout point. Elle décrit le transfert d'énergie par diffusion thermique tel qu'il est énoncé dans la loi de Fourier sur la conduction de la chaleur. La vitesse du transfert d'énergie est déterminée par la conductivité thermique du matériau et par le gradient de température dans l'objet, ou entre les deux objets. Dans le cas de deux objets en contact physique, la pression et l'ajustement entre les deux surfaces de contact déterminent la résistance de contact thermique.

La chaleur transmise à la poignée d'une casserole placée sur une plaque de cuisson est un exemple de conduction thermique. La chaleur se déplace de la base de la casserole vers les parois et jusque dans la poignée.

Convection

La convection, ou transfert de chaleur convectif, est le transfert d'énergie thermique dû au mouvement d'un fluide entraîné par des forces de flottabilité provoquées par les écarts de température dans le fluide. Les ingénieurs utilisent généralement les termes de convection libre ou de convection naturelle pour la différencier de l'advection ou de la convection forcée.

Un exemple courant de convection est le simple fait de laisser une tasse de café ou de thé chaud à l'extérieur. La chaleur est transférée de la boisson chaude vers l'air extérieur, avant d'être emportée par les forces de flottabilité.

Rayonnement

Le transfert de chaleur par rayonnement est un mécanisme qui transfère l'énergie thermique sous forme d'ondes électromagnétiques/photons. L'énergie thermique provoque un déplacement des atomes qui composent toute forme de matière, et le mouvement des particules chargées à l'intérieur de ces atomes (protons et électrons) entraîne l'émission de rayonnements électromagnétiques. Le transfert de chaleur dû au rayonnement thermique ne se produit que dans le vide ou à travers un milieu transparent aux longueurs d'onde infrarouges émises par un objet du fait de sa température. 

L'énergie sous forme de chaleur peut être utilisée et mise à contribution au sein d'un système, mais elle peut également avoir un impact négatif en raison des écarts de température. En appliquant les principes fondamentaux du transfert de chaleur, les ingénieurs sont capables de contrôler la quantité d'énergie thermique introduite dans les systèmes, de déplacer la chaleur comme ils le souhaitent au sein des systèmes, et d'évacuer l'énergie thermique des systèmes par l'intermédiaire d'un ou plusieurs mécanismes de transfert.

Voici une liste de certaines des applications les plus courantes du transfert de chaleur.

Cuisson

Préparer des aliments en leur appliquant de la chaleur permet de les rendre sûrs et comestibles. Le feu, utilisé à l'origine comme source de chaleur, permet de déplacer la chaleur du combustible brûlant vers la nourriture grâce à un double transfert de chaleur combinant convection et rayonnement.

Au fil du temps, les fours ont été développés pour créer une enceinte à haute température à l'intérieur de laquelle la convection de l'air chauffé et le rayonnement des parois permettent de cuire les aliments. De nos jours, la résistance électrique ou l'induction électrique peuvent également être utilisées comme sources de chaleur pour transférer de l'énergie à l'intérieur des récipients de cuisson. Les friteuses à air et les fours à convection, par exemple, ont recours à l'advection sous la forme de ventilateurs soufflant de l'air à haute température sur les aliments, afin d'augmenter le flux de chaleur et cuire les aliments plus rapidement.

Gestion thermique de l'électronique

Dans notre monde moderne, le refroidissement des appareils électroniques est une autre application très courante du transfert de chaleur. La résistance électrique produite dans les composants électroniques génère de la chaleur, et diverses méthodes de transfert de chaleur sont mises en œuvre pour évacuer cette chaleur des composants.

Dans un téléphone portable, par exemple, la première approche consiste à utiliser la conduction pour déplacer l'énergie thermique des composants vers le boîtier et l'écran, puis d'évacuer la chaleur dans l'air environnant par convection. Dans le cas d'appareils dont la température est plus élevée, tels que les ordinateurs, des dissipateurs thermiques sont conçus pour créer une grande surface de convection. Si cela s'avère nécessaire, l'advection est également utilisée grâce à des ventilateurs qui sont installés dans l'appareil pour augmenter la quantité de mouvement de l'air, ce qui permet d'évacuer la chaleur et d'augmenter le coefficient de transfert de chaleur.

Chauffage et refroidissement

L'homme utilise aussi le transfert de chaleur pour concevoir des appareils et des matériaux qui permettent de maintenir une température confortable à l'intérieur des structures :

• L'isolation des bâtiments réduit le transfert de chaleur de l'intérieur de la structure vers l'environnement extérieur.
• Les revêtements appliqués sur les fenêtres réduisent la quantité de rayonnement infrarouge qui passe à travers les fenêtres, et les systèmes de climatisation utilisent le changement de phase pour extraire la chaleur de l'air et réinjectent ensuite l'air ainsi refroidi dans les pièces.
• En ce qui concerne le chauffage, la combustion ou l'électricité permettent de chauffer de l'air ou de la vapeur qui transportent le fluide réchauffé à l'endroit souhaité.

Traitement des matériaux

De la fabrication d'alliages métalliques à l'extraction de produits pétroliers à partir de pétrole brut, le transfert de chaleur joue un rôle essentiel dans la plupart des exemples de traitement des matériaux.

Le transfert de chaleur est systématiquement utilisé pour obtenir et maintenir une température souhaitée dans la matière première afin de créer un changement de phase, une réaction chimique ou une modification métallurgique. Le transfert de chaleur est étudié et utilisé pour optimiser l'efficacité du traitement des matériaux afin de minimiser la quantité d'énergie nécessaire.

Moteurs automobiles

Les moteurs à combustion interne (MCI) créent une quantité importante de chaleur. Bien que quelques moteurs reposent sur le refroidissement par air, la plupart d'entre eux utilisent un système hydraulique pour évacuer la chaleur du bloc moteur qui est fait d'acier ou d'aluminium, deux matériaux conducteurs de chaleur.

Le fluide passe ensuite à travers un radiateur, un grand échangeur de chaleur situé à l'avant de la voiture, pour transférer l'énergie thermique dans l'air par advection grâce à l'air incident dû au mouvement de la voiture lorsqu'elle se déplace rapidement, ou grâce à des ventilateurs lorsqu'elle est à l'arrêt ou qu'elle se déplace lentement.

Transmissions de véhicules électriques

Les moteurs et les batteries des véhicules électriques (VE) peuvent générer une quantité considérable de chaleur qui doit être évacuée hors du véhicule. Certains systèmes sont conçus pour évacuer la chaleur de la source thermique par conduction, puis la chaleur est transportée vers les radiateurs grâce à un système de refroidissement composé de boucles dans lesquelles circule un liquide.

Engin spatial

Dans l'espace, le refroidissement et le chauffage de l'électronique embarquée sur les engins spatiaux, et plus particulièrement les capteurs tels que les caméras CMOS, posent un problème singulier de transfert de chaleur, du fait de l'absence d'air environnant vers lequel évacuer l'énergie thermique. La conception doit permettre d'atteindre un équilibre entre la chaleur générée par l'électronique, le rayonnement infrarouge de l'environnement, la chaleur reçue due au rayonnement solaire, et la chaleur dissipée vers l'espace extérieur. Dans l'espace, afin de maintenir la température des composants dans la plage de fonctionnement appropriée, les ingénieurs utilisent une combinaison de conduction, de rayonnement, d'advection, de génération de chaleur ou de changement de phase.

Les ingénieurs qui conçoivent des systèmes de gestion thermique s'appuient fortement sur la simulation pour comprendre les systèmes qu'ils développent et optimiser leurs conceptions. La simulation peut être effectuée beaucoup plus rapidement, réalisée plus tôt dans le processus de conception, et permet d'étudier beaucoup plus de scénarios que les tests physiques.

Dans certains cas, la simulation peut se résumer à quelques équations. À mesure que les systèmes se complexifient, les ingénieurs utilisent l'analyse par éléments finis (AEF), l'analyse par différences finies, la dynamique des fluides numérique (CFD) et le lancer de rayons pour modéliser les modes de conduction, de convection/advection et de rayonnement du transfert de chaleur.

Voici quelques suggestions pour réaliser des simulations précises et efficaces du transfert de chaleur.

1. Déterminez si la solution requise concerne un état stationnaire ou transitoire

Le transfert de chaleur est un phénomène dépendant du temps, un certain temps est nécessaire pour que l'échange d'énergie thermique entre les objets ait lieu avant d'atteindre l'équilibre thermique. Avant même de commencer une simulation, vous devez déterminer si votre étude porte sur le comportement transitoire du système, ou si vous êtes plutôt intéressé par les flux de chaleur et les températures une fois que le système se trouve dans un état stationnaire.

2. Renseignez-vous sur les propriétés de votre matériau

La précision des calculs de transfert de chaleur dépend fortement des propriétés du matériau telles que la conductivité thermique, la capacité thermique et l'émissivité. Un outil tel que Ansys Granta peut s'avérer très utile pour obtenir et gérer les propriétés thermiques du matériau.

3. Définissez correctement les conditions aux limites et les volumes de contrôle de votre modèle

Une définition incorrecte des conditions aux limites ou des volumes de contrôle autour des objets représente l'une des sources d'erreur les plus courantes dans la simulation du transfert de chaleur. Soyez minutieux lors de la modélisation de chaque région de votre système et faites en sorte de connaître le flux et la génération de chaleur dans chacune d'entre elles avant de vous lancer dans la construction de votre modèle.

4. Mesurez les vitesses du fluide avec précision

La convection naturelle et la convection forcée sont les deux modes de transfert de chaleur les plus couramment utilisés pour la gestion du flux de chaleur dans les systèmes, et le flux thermique transmis à un fluide à travers une surface dépend fortement de sa vitesse.

Un programme d'analyse par éléments finis, tel que le logiciel d'AEF structurelle Ansys Mechanical, ou un programme d'analyse par différences finies, tel que le logiciel de modélisation thermique Ansys Thermal Desktop, permettent de représenter un transfert de chaleur convectif vers un fluide à l'aide d'un coefficient de transfert de chaleur, à condition que sa vitesse soit bien connue. Lorsque cela est nécessaire, il est possible de simplifier le fluide en lui donnant la forme d'un réseau de fluide thermique à une dimension pour calculer le transfert de chaleur et la vitesse des fluides dans le système avec une plus grande précision. Cette pratique est très courante dans les simulations concernant les moteurs automobiles, les moteurs à réaction, les centrales nucléaires et les engins spatiaux.

Cependant, dans les systèmes complexes où l'écoulement du fluide est imprévisible ou qu'il ne peut pas être simplifié, les ingénieurs ont recours à un logiciel de CFD complet comme Ansys Fluent permettant de prédire l'écoulement du fluide en détail, notamment les turbulences, les courants convectifs et le mélange de différents fluides. Les simulations combinant une conductivité thermique précise dans les solides et le comportement des fluides sont appelées simulations de transfert de chaleur conjugué.

5. Simplifiez les modèles lorsque cela est possible

Les ingénieurs thermiques très expérimentés sont des experts dans la simplification des systèmes de simulation de transfert de chaleur. Dans de nombreux cas, une description partielle ou intégrale du comportement détaillé d'un système thermique peut être obtenue grâce à la modélisation d'un réseau à une dimension. Dans d'autres cas, la géométrie en 3D peut être considérablement simplifiée, car les petits éléments n'ont pas d'incidence sur le résultat global du transfert de chaleur.

Un outil tel que Thermal Desktop permet de créer des modèles simples pour les études préliminaires de conception avant la réalisation de la géométrie CAO, et de conserver une modélisation simplifiée une fois que la géométrie CAO est disponible avec TD Direct dans Ansys SpaceClaim.

Un outil comme TD Direct dans Ansys SpaceClaim permet d'accélérer considérablement la conversion d'une géométrie CAO complexe en un modèle simplifié et idéal pour une analyse thermique transitoire.

6. Exploitez la puissance des applications verticales pour l'électronique

La modélisation du transfert de chaleur dans l'électronique est unique en son genre, et c'est la raison pour laquelle des outils comme le logiciel de simulation de refroidissement électronique Ansys Icepak ont été développés pour se concentrer sur ce domaine important. Les applications verticales comprennent la terminologie, la géométrie et les conditions aux limites propres à l'industrie et permettent également d'automatiser la construction du modèle et les étapes de post-traitement. L'utilisation d'une application verticale permet non seulement de gagner du temps, mais cela facilite aussi l'utilisation de la simulation pour les personnes moins expérimentées.

Ressources connexes