Qu’est ce que la chaleur ? Comment se comporte t’elle dans le bâtiment ?

mercredi 12 mars 2014
par  EcoEnergieTech
popularité : 6%

Un article pour comprendre ce qu’est la chaleur et d’où vient cette énergie. Vous allez également comprendre comment se font les échanges thermiques dans le bâtiment. Pour finir, l’article introduit la notion de flux et densité thermique, la base de tous calcul de déperditions.


 1.LA CHALEUR :

La chaleur (Q) = énergie cinétique d’agitation microscopique de la matière, qui est due à une agitation désordonnée de ses molécules et de ses atomes. Plus la température est élevée, plus les atomes ou molécules s’agitent autour de leur position. Dans chacun des états de la matière, les particules possèdent de l’énergie en raison de leur mouvement. Cette forme d’énergie se nomme énergie cinétique interne. Pour quantifier cette quantité de mouvement / cette énergie / cette quantité de chaleur, le Joule (J) est utilisé (unité dérivée du SI).
GIF - 236.4 ko


 2.D’OÙ VIENT CETTE ENERGIE ?

Il y a plusieurs sources d’énergie :

Energie fossile (énergie de stock) :

Les sources d’énergies fossiles sont celles qui sont issues de la fossilisation de matière organique dans le sous-sol terrestre. La fossilisation est un processus lent qui a progressivement mené à la formation de ce que nous connaissons aujourd’hui sous les noms de charbon, gaz naturel et pétrole.

Ces substances sont du concentré d’énergie chimique, c’est pourquoi ils sont tant exploités à notre époque. Chimiquement, il s’agit de substances de la famille des hydrocarbures, c’est-à-dire composés à la fois d’hydrogène et de carbone. Pour extraire leur énergie il suffit de les brûler : l’énergie chimique se transforme alors en chaleur (réaction exothermique, pouvoir calorifique), tandis que l’hydrocarbure se transforme en eau et en gaz carbonique (le fameux CO2).
GIF - 527.1 ko
PNG - 8.1 ko

La chaleur de réaction à pression constante est la quantité de chaleur Qp échangée par le système au milieu extérieur.
- Pour une réaction exothermique Qp < 0 (si on se place au niveau du système, perte d’énergie du système à l’extérieur)
- Pour une réaction endothermique Qp > 0 (gain d’énergie)
- Pour une réaction athermique Qp = 0 (rien ne se passe, pas de gain ni de perte)

Les énergies fossiles sont donc des sources d’énergies :

Primaires : Il s’agit bien de "sources" d’énergie que l’on va puiser dans le sol
Nobles : Il s’agit d’une énergie chimique.
Non-renouvelables : Les stocks souterrains d’origine géologique ne se renouvellent pas. Leur exploitation les épuise peu à peu.

Energie de flux :
Les énergies "flux" sont toutes les énergies renouvelables, qui ne s’usent pas même lorsqu’on s’en sert : éolien, solaire thermique, solaire photovoltaïque, solaire thermodynamique, géothermie profonde, grande et petite hydraulique, énergies de la mer (courants, vagues, marées), biogaz, bois de chauffage (forêts bien gérées), chaufferies bois (taillis, pellets).


 3.LE POUVOIR CALORIFIQUE :

Fiouls, charbon, essence, gaz en brûlant dégagent des quantité de chaleur importantes. Tout combustible est caractérisé par son pouvoir calorifique.

Le pouvoir calorifique = l’énergie dégagée sous forme de chaleur par la réaction de combustion par le dioxygène (autrement dit la quantité de chaleur dégagée). Le plus souvent, on considère un hydrocarbure réagissant avec le dioxygène de l’air pour donner du dioxyde de carbone, de l’eau et de la chaleur. Elle est exprimée en général en kilojoule par kilogramme (noté kJ/kg ou kJ·kg-1).

Par exemple, si on brûle 1 kg d’essence, il va y avoir 47,3 MJ de chaleur (énergie cinétique d’agitation microscopique) qui vont être dégagés.
- Charbon : 2*10^4 à 3,5*10^4 kJ/kg
- Fioul : 4,2*10^4 kJ/kg
- GN : 4*10^4 kJ/m3

Dans le milieu de l’énergie, on utilise le :
- TEP (tonne équivalent pétrole) : c’est la quantité de chaleur fournie par la combustion complète d’une tonne de pétrole ;
- TEC (tonne équivalent charbon) : c’est la quantité de chaleur fournie par la combustion complète d’une tonne de charbon de pouvoir calorifique de 2,75*10^4 kJ/kg

Il existe deux types de pouvoir calorifique :

pouvoir calorifique supérieur (PCS) : C’est l’énergie thermique libérée par la combustion d’un kilogramme de combustible. Cette énergie comprend la chaleur sensible, mais aussi la chaleur latente de vaporisation de l’eau, généralement produite par la combustion. Cette énergie peut être entièrement récupérée si la vapeur d’eau émise est condensée, c’est-à-dire si toute l’eau vaporisée se retrouve finalement sous forme liquide.

pouvoir calorifique inférieur (PCI) : C’est l’énergie thermique libérée par la combustion d’un kilogramme de combustible sous forme de chaleur sensible, à l’exclusion de l’énergie de vaporisation (chaleur latente) de l’eau présente en fin de réaction.


 4.LES ECHANGES DE CHALEUR DANS UNE PAROI :

Donc dans une paroi simple, cette énergie va se propager (échanges thermiques) de 3 façons différentes :

- La conduction :
PNG - 36.2 ko
La conduction thermique (ou diffusion thermique) est un mode de transfert thermique provoqué par une différence de température entre deux régions d’un même milieu, ou entre deux milieux en contact, et se réalisant sans déplacement global de matière (à l’échelle macroscopique). Elle peut s’interpréter comme la transmission de proche en proche de l’agitation thermique : un atome (ou une molécule) cède une partie de son énergie cinétique à l’atome voisin.Dans les solides, la conduction thermique est assurée conjointement par les électrons de conduction et les vibrations du réseau cristallin (phonons).

Echelle macroscopique :
GIF - 44.5 ko
Echelle microscopique :
GIF - 24.8 ko
PNG - 39.5 ko

- La convection :
PNG - 44.8 ko
La convection est un mode de transfert qui implique un déplacement de matière dans le milieu. La matière est advectée (transportée-conduite). Ainsi, durant la cuisson de pâtes, l’eau se met en mouvement spontanément. Les groupes de particules de fluide proches du fond de la casserole sont chauffés, se dilatent donc deviennent moins denses (masse volumique) et montent. Ceux de la surface de la casserole sont refroidis par le contact de la surface avec un milieu moins chaud, se contractent donc gagnent en densité et plongent.
GIF - 229.8 ko

Echanges de chaleur par convection d’un convecteur électrique par exemple :
JPEG - 43.5 ko

- Le rayonnement :
PNG - 47.2 ko
Par définition, le transfert se fait par rayonnement électromagnétique. Quelle que soit sa température, un corps émet un rayonnement thermique, celui-ci est plus ou moins intense selon cette température. La longueur d’onde à laquelle est émise ce rayonnement dépend aussi de cette température. Ainsi, le rayonnement thermique émis par le Soleil est situé principalement dans le visible.
JPEG - 18.8 ko
Remarque : le rayonnement ne chauffe pas la pièce. Il dépose de l’énergie dans les parois et ce sont ensuite ces parois qui vont émettre de la chaleur (vibrations).


 5.LA FUITE DE CHALEUR :

Quand la température extérieure est de moins 0 °C et la température intérieure de
20 °C, la différence entre ces deux niveaux de température crée un phénomène
physique de transfert d’énergie (selon les 3 modes vu précédemment) qui provoque la fuite de la chaleur. Ce transfert d’énergie interne est réalisé du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, ce qui produit à terme une égalisation des températures des deux corps en contact (équilibre thermique, déperditions thermiques = 0 par exemple).Tous les corps (solide, liquide ou gazeux) subissent ce phénomène d’échange thermique. L’utilisation de matériaux isolants ou d’un matériau conducteur permet d’intervenir sur l’intensité du flux transmis.
JPEG - 59.5 ko


 6.LE FLUX THERMIQUE :

Cette fuite d’énergie ou de chaleur est appelée flux thermique :

Le flux thermique (Phi) en W ou puissance thermique (P) en W : Quantité de chaleur transmise (ou fournie) à un système (Q en Joules*) divisée par le temps (t)**.

Schématiquement, voici un flux thermique :
JPEG - 13.8 ko

A retenir :

1 W = 1 J/s = flux thermique
1 J = 1 W.s

*Le joule (symbole : J) est une unité dérivée du système international (SI) pour quantifier l’énergie, le travail et la quantité de chaleur.

**La qualité des échanges de chaleur dépendant du temps t pendant lequel ils ont lieu : la puissance thermique P (W) ou flux thermique Phi (W) = Q (J) /dt (s) (ou, voir ci-dessous : 3600 P (W) = Q (Wh) / dt (s)).

En exprimant t en heures (h) et P en watt (W) et Q en joules (J) on définit le watt.heure (Wh), qui sont les unités de quantité de chaleur actuelles pratiquées :

A retenir :

Q = 1 J = 1 W.s = 1/3600 W.h
Q = 3600 J = 1 W.h = chaleur, énergie

La quantité de chaleur Q peut donc s’exprimer soit en Joules soit en Wh avec un rapport de 3600 entre les deux unités. En 1 seconde, il y aura 1 joule (énergie, quantité de chaleur) qui sera transmis, en 3600 secondes, il y aura 3600 joules transmis, autrement dit 1 Wh. Le Wh est l’unité qu’on utilisera par la suite (unité utilisée en général dans tous les calculs).

Lorsque ce flux thermique traverse une surface S, on obtient une densité de flux de chaleur ou densité de flux thermique notée phi (W/m²) telle que : phi = Phi/S. Autrement dit, la densité de flux thermique traduit la quantité de chaleur traversant 1 m² de surface en 1 seconde.

A retenir :

- Flux thermique, noté Phi, exprimé en W = quantité de chaleur transmise (Q en joules) divisé par le temps.
- Densité de flux thermique, noté phi, exprimé en W/m² = flux thermique ramené à la surface. Autrement dit, la quantité de chaleur traversant 1 m² de surface en 1 seconde. Un matériau ayant une densité de flux thermique de 5 W/m² signifie qu’1 m² de matériaux, en 1 seconde va transmettre 5 Joules de chaleur. Autrement dit, en 1h, 0,0014 Wh (1 Wh = 3600 J) et 0,033 W en 1 jour.


 7.La loi fondamentale de FOURIER :

Le flux de chaleur augmente quand l’écart de température augmente lui aussi. Pour une même paroi, de nature et d’épaisseur identiques, et pour un écart de température deux fois plus grand, la fuite de chaleur se traduira par un effet double (relation de proportionnalité).
PNG - 61 ko
Si, pour un écart de température de 15 °C, le flux de chaleur est égal à-, pour un écart de température de 30 °C (double), le flux de chaleur sera alors égal à 2 -.

La loi fondamentale de Fourier, régissant la densité de flux de chaleur (phi) dans une paroi homogène, s’exprime par la formule :

PNG - 80.4 ko

Avec :

phi = densité de flux de chaleur en W/m²
lambda = conductivité thermique en W/m.°C
e = épaisseur de la paroi en m

A retenir :

Cette loi fondamentale montre que le flux de chaleur traversant une paroi dépend :

– du lambda du matériau constituant la paroi : plus son lambda est faible, plus la paroi est isolante (pour une paroi d’épaisseur égale) ;
– de l’épaisseur de la paroi ;
– de l’écart de température entre extérieur et intérieur.


Commentaires  (fermé)

Logo de EcoEnergieTech
dimanche 23 mars 2014 à 11h38 - par  EcoEnergieTech

Un commentaire ? Ça se passe ici ->