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La magie du flux de chaleur : comment est-il transféré silencieusement entre l'air et les objets ?
En physique et en ingénierie, le flux thermique, ou densité de flux thermique, parfois appelé intensité de flux thermique, est la quantité d'énergie circulant par unité de surface et par unité de temps. L'unité de ce concept est le watt par mètre carré (W/m2). Le flux de chaleur a une direction et une amplitude et est donc considéré comme une quantité vectorielle. Que ce soit en sciences ou en ingénierie, la mesure et l’application appropriées du concept de flux de chaleur sont essentielles pour comprendre et améliorer divers systèmes de gestion thermique.
Le flux de chaleur est omniprésent, aussi bien dans notre vie quotidienne que dans les applications d’ingénierie de haute technologie.
Définition et application du flux thermique
Pour définir le flux de chaleur en un point de l'espace, nous considérons généralement des états de surface infinitésimaux. Le flux de chaleur est souvent représenté par
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, avec la sous-étiquetteq indiquant qu'il s'agit d'un flux de chaleur et non d'un flux de masse ou de quantité de mouvement. La loi de Fourier est l'une des lois importantes décrivant le flux de chaleur, en particulier dans les matériaux solides, où la chaleur est principalement transférée par conduction.
La loi de Fourier nous dit que le flux de chaleur circule toujours des zones à haute température vers les zones à basse température.
La loi de Fourier et ses extensions
L'expression de la loi de Fourier en une dimension est :
φq = -k * dT(x)/dx
Où k est la conductivité thermique. Le signe négatif indique que le flux de chaleur se dirige vers la zone de température la plus basse. Lorsque nous explorons des situations multidimensionnelles, le flux de chaleur suit toujours des principes similaires :
Ici, ∇ est l'opérateur de gradient, qui montre la relation entre le flux de chaleur et le gradient de température.
Méthodes de mesure du flux thermique
Il existe plusieurs façons de mesurer le flux de chaleur. Premièrement, nous pouvons mesurer le flux de chaleur à travers un matériau de conductivité thermique connue, de la même manière que nous mesurons la chute de tension à travers une résistance connue lors de la mesure du courant électrique. Cependant, cette approche est relativement difficile à mettre en œuvre dans des situations pratiques car la résistance thermique du matériau n'est généralement pas claire, de sorte que l'épaisseur précise du matériau et la conductivité thermique sont cruciales.
Lorsque la conductivité thermique est inconnue, un capteur de flux thermique est un outil de mesure efficace.
Une autre façon de mesurer le flux de chaleur est d'utiliser un capteur de flux de chaleur ou un transducteur de flux de chaleur, qui mesure directement la quantité de chaleur transférée par la surface sur laquelle il est monté. Par conséquent, même si les valeurs de résistance thermique ou de conductivité thermique n'ont pas besoin d'être connues, nous pouvons effectuer des mesures in situ.
Applications des capteurs de flux thermique
Les capteurs de flux thermique courants tels que les thermopiles à température différentielle ont un principe de base similaire à la première méthode de mesure mentionnée ci-dessus, mais ne nécessitent pas de connaissance de la résistance thermique ou de la conductivité thermique du produit. Cela rend les capteurs de flux thermique plus flexibles dans de nombreuses applications pratiques. Cependant, ces thermopiles doivent être calibrées pour convertir leur signal de sortie (généralement mesuré en microvolts) en une valeur de flux thermique (mesurée en watts par mètre carré par Kelvin). Une fois étalonné, le capteur de flux thermique peut être utilisé pour mesurer directement le flux thermique sans avoir besoin d'une résistance thermique ou d'une conductivité thermique connue.
En sciences et en ingénierie, le bilan énergétique est un outil important pour analyser le flux de chaleur et les systèmes de gestion thermique.
Analyse des flux thermiques en sciences et en ingénierie
Les scientifiques et les ingénieurs s’appuient souvent sur l’outil du bilan énergétique, qui peut être appliqué à n’importe quel système physique, des réacteurs chimiques aux organismes biologiques. La formule du bilan énergétique est la suivante :
∂Eent/∂t - ∂Esortie/∂t - ∂Eaccumulé/∂t = 0Les trois éléments ici représentent le changement total d’énergie entrant dans le système, le changement total d’énergie sortant du système et le changement cumulé d’énergie au sein du système. Si le seul moyen de transfert d’énergie est le flux de chaleur, le débit de flux de chaleur peut être utilisé pour calculer le bilan énergétique. Même dans les applications pratiques, où il n'est pas possible de connaître le flux de chaleur exact en chaque point de la surface, nous pouvons utiliser des schémas approximatifs pour effectuer des calculs, comme la méthode d'intégration de Monte Carlo.
Avec les progrès technologiques, la mesure et le contrôle du flux thermique sont devenus de plus en plus importants. Ils jouent un rôle important dans diverses applications telles que la gestion thermique des bâtiments, la conception de la dissipation thermique des équipements électroniques et de nombreux processus industriels. Dans ce monde en évolution rapide, pouvons-nous mieux comprendre les mystères du flux de chaleur pour faire progresser la science et la technologie ?
