Transfert de chaleur induit par les différences de température : Applications et distinctions en ingénierie thermodynamique et transfert de chaleur

Dans la myriade de mondes où nous vivons, divers processus se produisent constamment, et l'un des processus physiques les plus étroitement liés à la survie de l'homme est le transfert d'énergie thermique. De la climatisation centrale des bâtiments modernes à la formation de phénomènes météorologiques naturels tels que le gel, la pluie et la neige, des problèmes de protection thermique des vaisseaux spatiaux rentrant dans l'atmosphère au refroidissement efficace des appareils électroniques, des changements saisonniers dans les vêtements des personnes au stockage congelé de la nourriture humaine, tous sont étroitement liés au processus de transfert de chaleur.

Les études sur le transfert de chaleur sont une discipline qui étudie les lois du transfert de chaleur ou d'énergie causé par les différences de température. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que partout où il y a une différence de température, la chaleur se transfère naturellement d'un objet à température élevée vers un objet à température plus basse. Cette chaleur transférée est souvent appelée énergie thermique.

Les différences de température existent partout dans la nature et dans divers domaines de la technologie de production, ce qui fait du transfert de chaleur un phénomène physique très courant. Par exemple, les vents dans la nature sont causés par des différences de température entre deux endroits, provoquant un flux d'air d'une zone à température plus élevée vers une zone à température plus basse, encore influencé par la rotation de la Terre pour former le vent. Les courants océaniques et les typhons sont également dus à des différences de température entraînant le déplacement de l'eau ou de l'air. Dans la production industrielle, l'utilisation de tubes chauffants en fibre de carbone pour chauffer des produits implique également le transfert de la chaleur des tubes chauffants au matériau chauffé, ce qui constitue un autre processus de transfert de chaleur.

Les lois dites de transfert de chaleur relient principalement la quantité de chaleur transférée par unité de temps à la différence de température correspondante à l'intérieur d'un objet. La relation de premier niveau qui reflète cette loi devient l'équation de taux de transfert de chaleur. Dans les articles suivants, je discuterai avec vous des équations de vitesse des trois modes de base de transfert de chaleur dans certaines conditions simplifiées. Un niveau d'étude plus approfondi consiste à trouver la distribution de la température en divers points d'un objet dans différentes conditions.

Les études sur le transfert de chaleur et la thermodynamique de l'ingénierie sont deux disciplines liées aux phénomènes thermiques. Dans le secteur de l'enseignement de l'ingénierie en Chine, ces deux cours sont collectivement appelés cours d'ingénierie thermique. La différence fondamentale entre ces deux domaines scientifiques peut être expliquée comme suit : La thermodynamique étudie les systèmes en équilibre, où il n'y a pas de différences de température ou de pression, alors que le transfert de chaleur étudie précisément le contraire, les lois du transfert de chaleur impliquant des différences de température. Prenons par exemple le processus de refroidissement d'un lingot d'acier de 1000°C à 100°C dans un bain d'huile. La thermodynamique étudie la chaleur perdue par kilogramme de lingot d'acier au cours de ce processus de refroidissement et la chaleur absorbée par le bain d'huile, mais la thermodynamique ne peut pas nous dire combien de temps il faut pour que ce système de température atteigne l'équilibre. Ce temps dépend de la température du bain d'huile, du mouvement de l'huile, des propriétés physiques de l'huile, etc. qui sont précisément ce que le transfert de chaleur étudie.

En outre, en raison de la différence fondamentale mentionnée ci-dessus, il existe une distinction entre les paramètres physiques utilisés en thermodynamique et en transfert de chaleur : en thermodynamique, les quantités physiques n'incluent pas le temps, alors qu'en transfert de chaleur, les principales quantités physiques sont exprimées en temps, c'est-à-dire que le transfert de chaleur se préoccupe davantage de la quantité d'énergie thermique pouvant être transférée par unité de temps. D'autre part, les études sur le transfert de chaleur sont étroitement liées à la thermodynamique de l'ingénierie : l'analyse de tout processus de transfert de chaleur doit utiliser la première loi de la thermodynamique, c'est-à-dire la loi de la conservation de l'énergie. La première loi de la thermodynamique peut s'appliquer à la fois aux systèmes fermés et ouverts, chaque type de système ayant des états stables et instables. Du point de vue du transfert de chaleur, un processus dit stable est un processus dans lequel la température en chaque point du système ne change pas au fil du temps, alors que dans un processus instable, les températures en chaque point changent au fil du temps.

Dans les discussions futures sur la conduction de la chaleur dans les solides, nous utiliserons la première loi de la thermodynamique pour les systèmes fermés, alors que l'étude du transfert de chaleur par convection nécessite l'utilisation de systèmes ouverts. En outre, lorsque l'énergie thermique est transférée d'un milieu à un autre, le principe de conservation de l'énergie doit également être appliqué à l'interface entre les deux milieux, comme le processus de refroidissement mentionné d'un lingot d'acier dans un bain d'huile, à l'interface entre le solide et le liquide, que le processus de transfert de chaleur soit stable ou instable, nous pensons que la chaleur transférée du solide au liquide et la chaleur absorbée par le liquide à partir du solide sont égales à tout moment. Les concepts d'équilibre énergétique et d'équilibre thermique mentionnés dans les cours de physique du secondaire sont en fait des expressions simples de la première loi de la thermodynamique.

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