Physique-Chimie · terminale spe

Chapitre 8 — Transferts thermiques et bilan énergétique

L'essentiel en 30 secondes

Les transferts thermiques s'effectuent toujours du corps chaud vers le corps froid, par conduction, convection ou rayonnement. Le flux thermique $Φ$ (en $W)$ mesure la puissance du transfert. La résistance thermique $R_th$ caractérise l'opposition d'une paroi au passage de la chaleur. En régime stationnaire, le bilan énergétique permet de calculer la température d'équilibre ou les pertes thermiques d'un bâtiment.

Notions clés

Conduction thermique: Transfert de chaleur de proche en proche dans un milieu matériel, sans déplacement de matière (typique des solides).
Convection: Transfert de chaleur par déplacement de matière (fluide chaud qui monte, froid qui descend).
Rayonnement: Transfert de chaleur par ondes électromagnétiques. Seul mode ne nécessitant pas de milieu matériel.
Flux thermique Φ: Puissance thermique traversant une surface, en $W$ (watt). $Φ = Q/\Delta t$ .
Résistance thermique Rth: Grandeur caractérisant la capacité d'une paroi à s'opposer au transfert de chaleur. Plus Rth est grande, meilleure est l'isolation.

Formules

Flux thermique à travers une paroi

\Phi = \dfrac{T_{\text{chaud}} - T_{\text{froid}}}{R_{\text{th}}}

Condition : $Φ$ en $W$ ; $T$ en $K$ (ou $°C$ si différence) ; Rth en K·W⁻¹

Résistance thermique d'une paroi plane

R_{\text{th}} = \dfrac{e}{\lambda \, S}

Condition : $e =$ épaisseur en $m$ ; $\lambda =$ conductivité thermique en W·m⁻¹·K⁻¹ ; $S =$ surface en $m^2$

Résistances thermiques en série (parois superposées)

R_{\text{th,tot}} = R_{\text{th,1}} + R_{\text{th,2}} + \ldots

Condition : Parois traversées successivement par le même flux

Puissance de transfert thermique

\Phi = \dfrac{Q}{\Delta t}

Condition : $Φ$ en $W$ ; $Q$ en $J$ ; $\Delta t$ en $s$

A retenir

Le transfert thermique va TOUJOURS spontanément du chaud vers le froid (2e principe).
En régime stationnaire, le flux $Φ$ est le même $à$ travers chaque couche d'une paroi multicouche.
Pour isoler un bâtiment, on augmente Rth : matériaux $à$ faible $\lambda$ (laine de verre, polystyrène) et forte épaisseur.

Erreurs classiques

Erreur : Confondre résistance thermique élevée avec bonne conduction.

Correction : C'est l'inverse ! Rth élevée $=$ bonne isolation $=$ mauvaise conduction. Un isolant $a$ une grande Rth et une petite conductivité $\lambda$ .

Erreur : Oublier de convertir les unités de surface ou d'épaisseur.

Correction : Rth $= e/(\lambda ·S)$ : $e$ en $m$ (pas en $cm$ !), $S$ en $m^2$ (pas en $cm^2)$ . Une erreur de conversion donne un résultat faux de plusieurs ordres de grandeur.

Astuce méthode

Pour un exercice de bilan thermique de bâtiment : identifie toutes les parois (murs, toit, vitres, sol), calcule Rth de chacune, puis $Φ = \Delta T/Rth$ pour chacune. La puissance de chauffage nécessaire est la somme de tous les flux de pertes.