Flux de chaleur transmis par la formule de rayonnement. C'est le flux de chaleur. B6 Transfert de chaleur complexe et transfert de chaleur

Pour exprimer l'effet global de la convection, nous utilisons la loi de refroidissement de Newton : = ℎ 6 3 - 47. Ici, le taux de transfert de chaleur est lié à la différence de température totale entre la paroi et le fluide, et à la surface. Rayonnement Contrairement aux mécanismes de conduction et de convection, lorsque l'énergie est transférée à travers un milieu matériel, la chaleur peut également être transférée vers des zones où règne un vide parfait. Dans ce cas, le mécanisme est le rayonnement électromagnétique. Le rayonnement peut présenter des propriétés ondulées ou corpusculaires.

Rayonnement électromagnétique se propageant sous l'effet d'une différence de température ; C'est ce qu'on appelle le rayonnement thermique. Les considérations thermodynamiques montrent qu'un radiateur idéal ou corps noirémettra de l'énergie à un taux proportionnel à la quatrième puissance de la température absolue du corps. L'équation 5 est appelée loi de Stefan-Boltzmann sur le rayonnement thermique et ne s'applique qu'aux corps noirs. Paroi plane stable de conduction. Considérons d'abord un mur plat où une application directe de la loi de Fourier peut être faite.

La figure 3 montre un problème typique et son circuit analogique. Riz. 3 Flux de chaleur unidimensionnel à travers plusieurs coupes cylindriques et leur contrepartie électrique. Les systèmes sphériques peuvent également être considérés comme unidimensionnels lorsque la température n'est fonction que du rayon. isolement critique. Tube à vapeur pour illustrer le rayon critique de l'isolation. Disons que vous avez un tuyau de vapeur que vous souhaitez isoler pour éviter les pertes d'énergie et protéger les personnes contre les brûlures. Si la vapeur n'est pas surchauffée, de la vapeur se condensera dans le tuyau.

La température de surface de l'isolation du tuyau est approximativement égale à la température de saturation de la vapeur, car la résistance thermique à la paroi du tuyau a tendance à être faible et à disparaître. Par conséquent, la chute de température à travers la paroi du tuyau sera très faible. La figure suivante montre un analogue électrique construit pour cette tâche simplifiée. Rayons d'isolation intérieur et extérieur. Pour déterminer le rayon critique d'isolation, nous procéderons comme suit. Conduction radiale de la chaleur à travers une sphère creuse Figure 1 Conduction de la chaleur à travers une sphère creuse Création d'un bilan énergétique dans un élément de volume différentiel pour déterminer l'équation différentielle correspondante.

L'équation ci-dessus est une équation différentielle appropriée pour la distribution de température dans une sphère creuse. Les deux conditions aux limites associées à ce problème sont les suivantes : puisque plus l'isolant est épais, plus le taux de transfert de chaleur est faible, puisque la surface de paroi est constante, et lorsqu'il est isolé, il augmente la résistance thermique sans augmenter la résistance de convection. Mais quelque chose de différent se produit avec les cylindres et les sphères lorsque vous les isolez. Processus d'échange d'énergie sous forme de chaleur entre différents corps ou entre diverses pièces le même corps à des températures différentes.

Le transfert de chaleur se produit toujours à partir de plus corps chaudà plus froid, en raison de la deuxième loi de la thermodynamique. Le transfert de chaleur se produit jusqu'à ce que les corps et leur environnement atteignent l'équilibre thermique. La chaleur est transférée par convection, rayonnement ou conduction. Bien que ces trois processus puissent se produire simultanément, il peut arriver qu'un mécanisme l'emporte sur les deux autres.

Le rayonnement électromagnétique est une combinaison de champs électriques et magnétiques, oscillants et perpendiculaires les uns aux autres, se propageant dans l'espace, transportant l'énergie d'un endroit à un autre. Contrairement à la conduction et à la convection, ou à d'autres types d'ondes, comme le son, qui ont besoin d'un milieu matériel pour se propager, le rayonnement électromagnétique ne dépend pas de la matière pour se propager ; en effet, le transfert d'énergie par rayonnement est plus efficace dans le vide. Cependant, la vitesse, l'intensité et la direction du flux d'énergie sont affectées par la présence de matière.

Ainsi, ces ondes peuvent traverser l'espace interplanétaire et interstellaire et atteindre la Terre depuis. Le volcanisme, l'activité sismique, les phénomènes de métamorphisme et d'orogenèse font partie des phénomènes contrôlés par le transport et le dégagement de chaleur. En fait, le bilan thermique de la Terre contrôle l'activité dans la lithosphère, dans l'asthénosphère, mais aussi à l'intérieur de la planète.

La chaleur qui atteint la surface de la Terre a deux sources : l'intérieur de la planète et le soleil. Une partie de cette énergie est renvoyée dans l'espace. Si l'on suppose que le soleil et la biosphère maintiennent la température moyenne à la surface de la planète avec de petites fluctuations, alors la chaleur émanant de l'intérieur de la planète détermine l'évolution géologique de la planète, c'est-à-dire qu'elle contrôle la tectonique des plaques, magmatisme, la génération de chaînes de montagnes, l'évolution de la partie intérieure de la planète, y compris son champ magnétique.

ce propriété physique matériau et est une mesure de la capacité d'un matériau à "conduire" la chaleur. Si l'on considère le cas unidimensionnel, alors la loi de Fourier s'écrit. Si le flux de chaleur et la température du milieu ne changent pas avec le temps, le processus est considéré comme stationnaire. S'il n'y a pas de chaleur dans le volume de matière, nous aurons. Où ρ est la densité du matériau. Cette expression vous permet de calculer la température en des points de la région, sous réserve de l'imposition de conditions aux limites.

Nous pouvons appliquer cette équation pour essayer de découvrir quelque chose sur la distribution de température à l'intérieur de la planète, en utilisant les surfaces connues de flux et de température comme conditions aux limites. L'intégration de cette équation donne à nouveau. Cette dernière expression peut être utilisée pour déterminer le changement de température avec la profondeur. Considérons donc le cas de la Terre, en supposant que la chaleur est transportée principalement par conduction. La courbe température-profondeur est dite « géothermique ». Une analyse de la figure montre qu'à des profondeurs supérieures à 100 km, le manteau doit avoir une fusion importante, tandis que pour des profondeurs supérieures à 150 km, tout le manteau doit fondre.

Ces "prédictions" ne concordent pas avec les informations obtenues à partir de l'étude de la propagation des ondes sismiques, nous devons donc conclure que le modèle de conductivité thermique ne prédit pas correctement le profil de température dans le manteau. Même si le modèle moteur ne consiste pas à prédire la température dans le manteau supérieur, il représente un succès significatif lorsqu'il est appliqué à la partie externe de la planète, c'est-à-dire la croûte terrestre, où la chaleur interne provient principalement de la désintégration radioactive et est transportée à la surface, par entraînement.

Nous reviendrons sur ce problème lors de l'étude des flux de chaleur sur les continents. Considérez une couche de liquide chauffée en bas et refroidie en haut. Lorsqu'un liquide est chauffé, sa densité diminue en raison de la dilatation. Dans le cas considéré, la partie supérieure de la couche liquide sera plus froide et donc plus dense que la partie inférieure. Cette situation est gravitationnellement instable, empêchant le liquide liquide de se refroidir, et plus il chauffe, plus les courants de convection apparaissent rapidement. Le mouvement d'un fluide est entraîné par des forces motrices.

Considérons donc un élément fluide rectangulaire, comme le montre la figure. Les forces agissant sur un élément fluide sont : les forces dues au gradient de pression, la force de gravité et la force de poussée. Pour ces derniers, la densité du liquide doit être prise en compte. La composante verticale de la force résultante sera alors.

Bien que les isotopes radioactifs existent en petites quantités dans la croûte terrestre et soient également moins abondants dans le manteau, sa désintégration naturelle produit une quantité importante de chaleur, comme le montre le tableau de gauche. Les éléments les plus importants de ce processus sont l'uranium, le thorium et le potassium ; on constate que la contribution de l'uranium et du thorium est supérieure à celle du potassium.

Le tableau suivant présente la concentration en éléments radioactifs et la génération thermique de certaines roches. Le granit est la pierre qui dégage le plus de chaleur en raison de la désintégration des matières radioactives car il a la plus forte concentration de ces éléments. La mesure de la chaleur générée par la croûte terrestre à l'heure actuelle peut être utilisée pour calculer la chaleur générée dans le passé. D'autre part, la concentration d'éléments radioactifs peut être utilisée dans la datation des roches.

Le taux de désintégration d'un isotope radioactif est donné par la formule. Bien que le taux de génération de chaleur dans la croûte terrestre soit supérieur d'environ deux ordres de grandeur à celui du manteau, le taux de production du manteau doit être pris en compte, car le volume du manteau est beaucoup plus grand que le volume de la croûte. Cette réaction a été réalisée en laboratoire à des températures et des pressions de l'ordre de celles à l'interface cœur-manteau.

La figure montre la distribution du flux de chaleur le long de la Terre. La chaleur perdue à travers la surface de la planète est uniformément répartie. Le tableau suivant montre les principales contributions : 73 % de la chaleur est perdue par les océans, qui représentent 60 % de la surface de la Terre. La majeure partie de la chaleur est perdue lors de la création et du refroidissement de la lithosphère océanique, lorsque nouveau matériel part des crêtes moyennes. La tectonique des plaques est fondamentalement liée au refroidissement de la Terre. D'autre part, il apparaît que vitesse moyenne la création du fond océanique est déterminée par l'équilibre entre le taux de génération de chaleur et le taux global de perte de la même haute température sur toute la surface de la planète.

Dans les modèles de tectonique des plaques, l'ascension des matériaux du manteau se produit au niveau des dorsales océaniques. Ces matériaux, une fois refroidis, conduisent à la formation d'une nouvelle croûte océanique. En s'éloignant de la zone ascendante, la nouvelle croûte se refroidit jusqu'à grandes profondeurs, formant une plaque rigide de plus en plus épaisse.

La figure suivante montre les valeurs observées du flux de chaleur en fonction de l'âge de la lithosphère océanique, ainsi que les valeurs calculées à partir du modèle théorique. Compte tenu de ce qui a été dit dans le paragraphe précédent, ce graphique peut être interprété comme représentant des valeurs de flux en fonction de la distance à la crête. Comme on peut le voir, le flux de chaleur près des dorsales océaniques a des valeurs élevées, diminuant avec la distance de la zone ascendante des matériaux du manteau. En comparant les valeurs observées avec les valeurs calculées, on vérifie que les flux issus des modèles sont supérieurs à ceux observés près de la crête.