Module de transfert de masse et d’énergie Elément de module 1 Transfert thermique (18h cou s + 12h + 8h TP) Contenu: Chap. -l: Transfert thermique par conduction Formulation générale Conduction en régime permanent Conduction en régim Chap. -2: Transfert th Lois physiques du ra Etude des échanges orq5 to View Chap. -3: Transfert thermique par convection Etude physique et définition Convection forcée Convection naturelle Convection mixte Modalités d’évaluation cc-l CCQ TP Pr.
Ossama Merroun INTRODUCTION GENERALE Introduction Schéma de principe d’une centrale thermique/nucléaire Schéma de principe d’une centrale solaire Quelques rappels de thermodynamique Systèmes thermodynamiques Définition: un système est constitué dun ensemble matériel délimité par une frontière : – réelle ou imaginaire – rigide ou déformable – fixe ou en mouvement La région de l’espace extérieure au système est appelée le milieu extérieur.
Frontière Milieu extérieur imaginaire (chaleur) (débit de matière) Frontière réelle 5 particules et la masse sont invariables. Exemple : (récipient fermé non calorifugé et/ou à volume variable) Transformation ouverte du système Dans le cas d’une transformation ouverte Pétat initial 1 ne correspond as à fétat final 2. Transformation fermée Dans le cas d’une transformation fermé l’état initial et l’état final sont confondus. Le système décrit alors un cycle. ycle 4 Transformation adlabatique Dans le cas de ce type de transformation, le systèm 3 5 propre interne – énergie propre externe 2- Energie échangée 1- Energie propre Energie propre externe L’énergie propre externe dépend de la position et du mouvement du système et est observable à l’échelle macroscopique – énergie cinétique notée E :Elle dépend de la vitesse du système énergie potentielle notée E p :Elle résulte de l’application u système de forces extérieures qui peuvent être telles que F — — grad ( E p) – énergie mécanique notée Em: Em=Ec+Ep Energie propre interne L’énergie interne est associé à l’état interne du système. Elle n’est pas 5 l’intermédiaire du travail des forces (de volume ou de surface). Travail des forces de surface Travail dû aux forces de pression statique Il correspond pour une transformation réversible à un déplacement lent en augmentant la pression sur le piston (application d’une force de surface).
Le travail élémentaire reçu par le fluide pour un déplacement élémentaire est dWs = dF ext . dl =- PSdl = – PdV W12 – -J- PdV PAGF s 5 l’énergie du système fermé se conserve au cours des transformations du système l’énergie du système est seulement transformée d’une forme d’énergie en une autre (équivalence des formes d’énergie) La variation d’énergie pour une transformation infinitésimale s’écrit dEtotale = dQ + dW chaleur dlJ + dEc + dE p = dQ + dWs + dW ‘v variation d’énergie interne variation variation d’énergie d’énergie cinétique potentielle Travail des forces de surfaces de volume autre que les forces pesanteur Limites du premier principe » Exemple de comportement d’un s stème État possible
PAGF 6 5 évolutions sont possibles à partir d’un instant initial, ni la notion de (ir)réversibilité des systèmes. Il faut donc introduire un deuxième principe dit aussi principe d’évolution, déduit des faits expérimentaux, qui permettra de prévoir l’évolution des systèmes. Le deuxième principe introduit une nouvelle fonction d’état : l’entropie notée S. Énoncé du deuxième principe Tout système fermé est caractérisé par une fonction d’état extensive S (entropie) possédant pour une transformation infinitésimale la propriété suivante : dQ dS Te Où dQ est la chaleur reçue d’une source extérieure, Te la empérature de contact de cette source avec le système. L’égalité a lieu dans le cas d’une transformation réversible.
Dans le cas d’un système isolé, à tout instant dQ=O, l’expression du second principe est alors : Pour une transformation finie s stème isolé) PAGF 7 5 certains impératifs. Thermodynamique Quantité totale d’énergie qu’un système doit échanger pour passer dun état d’équilibre a un autre Cycle moteur Source chaude QI Source froide énergie récupérée —W W QI + Q2 énergie fournie Cycle récepteur régime stationnaire ou permanant Gradient de température Considérons un solide à température non uniforme. A un instant quelconque t on peut tracer dans ce solide un réseau de surfaces isothermes, qui sont les lieux des points qui ont la même température.
Plaçons-nous en un point M d’une surface isotherme et délimitons autour de ce point une aire ds sur la surface isotherme. La variation de la température par unité de longueur est maximale le long de la normale à surface isotherme. Cette variation est caractérisée par le gradient de température: grad (T ) = n an Densité de flux de chaleur Sous l’effet de différence de température, il s’écoule ? ravers ds un flux de chaleur dcb. La densité de flux de chaleur au travers de la surface ds caractérisée par la normale est donnée par le rapport • On = lim ds — O ds Formulation d’un problème de transfert de chaleur Soit un système (S) délimi face S.
Le bilan PAGF 5 Fondamentalement, le transfert de la chaleur s’exerce suivant trois modes : -la conduction -le rayonnement – a convection (n’est qu’un cas particulier de la conduction thermique) L’énergie calorifique se traduit, à Véchelle microscopique, par les mouvements d’agitation ou de vibration des molécules et des électrons libres. La température est une mesure acroscopique de l’amplitude de ces mouvements. Cette énergie d’agitation ou de vibration peut se transmettre : 1) Par conduction : il s’agit d’une transmission de proche en proche, de molécule à molécule, par chocs successives. Ce mode exige un support matériel (solide, liquide ou gaz) et inversement, dans un support matériel au sein duquel existe un gradient de température, on aura un transfert de chaleur par conduction. 2) Par rayonnement: contrairement au précédent, ce mode n’exige pas de support matériel et peut s’exercer dans le vide.
La transmission se fait par l’intermédiaire d’une onde ?lectromagnétique. une molécule en mouvement d’agitation thermique peut émettre (et absorber) des ondes EM (ou photons) : c’est le cas des solides, des liquides et certains gaz (1H20, C02,… ) 3) Par convection: phénomène de conduction de chaleur se produisant au sein des fluides en mouvement macroscopique. Au phénomène de transfert de chaleur par chocs entre molécules (conduction), s’ajoute le déplacement d’énergie calorifique par les molécules se déplaçant suivant le champ des vitesses. Cependant, suivant les causes du mouvement du fluide, on peut distinguer trois types de co
