Les transferts de chaleur

CONDUCTION
CONVECTION
par Josianne Roy, Chimiste M.Sc.
RAYONNEMENT
Avant même d’apercevoir un feu, on peut
ressentir sa chaleur. En effet, la chaleur se
propage rapidement au loin de sa zone de
combustion et c’est sa transmission aux
matériaux environnants qui permet à un incendie
de se propager. Le feu transmet sa chaleur par
une combinaison variable de plusieurs phénomènes
tels que le rayonnement, la convection et la
conduction. Pour expliquer la notion de chaleur, il
faut d’abord comprendre le concept de l’énergie,
qui peut se présenter sous plusieurs formes. En
physique mécanique, l’énergie est définie comme
une capacité que possède un système
d’effectuer un travail.
Il a été observé en effet que l’on pouvait transformer la plupart des formes d’énergies en travail,
c’est-à-dire en une force capable de déplacer la matière. Par exemple, l’énergie permet à un moteur
de faire rouler une automobile, à une ampoule électrique d’éclairer une pièce, ou à une maison de brûler
lors d’un incendie. L’énergie peut donc se présenter sous une panoplie de formes interchangeables,
dont les principales sont l’énergie électrique (statique et dynamique), chimique, mécanique (potentielle
et cinétique), thermique (ou calorifique), biochimique, nucléaire, naturelle, rayonnante (ou
électromagnétique, radiante) (voir article 1). Lors des transferts de chaleur qui surviennent dans un
incendie, toutes ces formes d’énergie peuvent être impliquées. Dans le Système international d’unités
(SI), l’énergie est mesurée en joules (J) ou en kilojoules (kJ). D’autres unités sont encore parfois
utilisées telles que le British Thermal Unit (BTU) ou la calorie (Cal). Les relations entre la chaleur et
ses phénomènes connexes sont étudiées dans une branche de la physique appelée thermodynamique,
qui repose essentiellement sur 2 grands principes :
1. L’énergie interne d’un système est toujours conservée : on ne peut la créer ou la
détruire, on ne peut que la transformer. « Rien ne se perd, rien ne se crée »…
L’énergie interne d’un système est
l’énergie totale qu’il contient. Dans une
molécule, l’énergie interne est souvent
appelée « énergie chimique » et elle
comprend l’énergie cinétique liée au
mouvement de ses atomes et l’énergie
potentielle associée à la distance entre
ses atomes (liaison chimique).
Ex : ÉNERGIE NERGIE INTERNE D’UNE D UNE MOLÉCULE MOL CULE DE DIHYDROGÈNE DIHYDROG NE (H 2 )=
V I B R
AT
I ON
V I B R
AT
I ON
TRANSLATION
DISTANCE D’UNE
LIAISON CHIMIQUE
_________________________________________________________________________________________
Article 6 : Les transferts de chaleur, tous droits réservés © Josianne Roy, www.spiq.ca
1

COMBUSTIBLE COMBURANT
Hydrogène (H 2 ) Oxygène (O 2 )
Bris des liaisons chimiques
SOURCE DE CHALEUR
(énergie d’activation)
COMBUSTION
Lors d’une combustion, une source de chaleur de départ brise des liaisons chimiques à l’intérieur des
molécules de combustibles et de comburants. Leurs énergies internes sont alors libérées et converties
en énergie interne de produits de combustion. Une grande partie de l’énergie est également
transformée en énergie thermique (chaleur), c’est pourquoi on dit qu’une combustion est toujours
exothermique. Notons que l’énergie thermique est proportionnelle à la température d’un corps et que
la température est la mesure de la quantité de chaleur contenue dans un corps.
2. On ne peut transformer toute l’énergie fournie en travail utile, car il y a toujours
des pertes d’énergie irrécupérables et irréversibles. De plus, la chaleur se
transfère naturellement d’un corps chaud vers un corps froid, jamais l’inverse.
3.
Ex : Lorsqu’une voiture freine, la température des freins augmente et il y a des pertes de chaleur.
L’énergie cinétique de la voiture est convertie essentiellement en énergie mécanique pour le système
de freinage et une partie est perdue en énergie thermique dans l’environnement, de façon irréversible.
TRANSFERTS DE CHALEUR
En thermodynamique, la chaleur est décrite comme la mesure d’un changement d’énergie interne d’un
système, lorsqu’il n’y a pas de travail effectué. En termes simplifiés, la chaleur pourrait être définie
comme de l’énergie thermique en mouvement, c’est-à-dire de l’énergie thermique qui voyage d’une
région « chaude » ou à plus haute température, vers une région « froide » ou à plus basse température.
En voyageant ainsi, la chaleur est transférée d’un corps à un autre, jusqu’à l’atteinte d’un équilibre de
température entre les deux corps.
Flux Flux de de chaleur chaleur = =
taux taux de de transfert transfert
(kJ/s (kJ/s ou ou W) W)
TRANSFERT DE CHALEUR
PRODUITS DE COMBUSTION
Eau (H 2 O)
ÉNERGIE
ÉNERGIE
INTERNE ÉLEVÉE
INTERNE FAIBLE
_________________________________________________________________________________________
Article 6 : Les transferts de chaleur, tous droits réservés © Josianne Roy, www.spiq.ca
2

Lorsque la chaleur est transférée d’un corps à un autre, leurs énergies internes sont modifiées.
Parfois, un transfert de chaleur provoque aussi un changement de phase (ou d’état) de la matière. Par
exemple, un contenant en plastique se met à fondre lorsqu’il se trouve à proximité d’un feu. Ainsi, on
distingue deux types de chaleur : la chaleur sensible, qui engendre la hausse de température d’un
corps sans qu’il ne change de phase, et la chaleur latente, qui provoque un changement de phase sans
modifier la température d’un corps.
Molécules complètement liées et
avec peu de mouvement
Ex: eau
Les transferts de chaleur entre deux corps varient surtout en fonction :
de la température initiale des corps
de la phase des corps (gaz, liquide, solide)
du type de transfert de chaleur ; rayonnement, convection, conduction, …
de la vitesse de transfert de chaleur
fusion/liquéfaction évaporation/vaporisation
Transfert de
chaleur
Molécules partiellement liées et
en mouvement partiel
du taux d’absorption de chaleur et de l’émissivité des corps
Transfert de
chaleur
Aucune liaison entre les molécules
et en mouvement continu
Dans un incendie, les transferts de chaleur peuvent se faire de plusieurs façons, dont les trois
principales sont : la convection, le rayonnement et la conduction. Par exemple, la chaleur se propage :
par convection, lorsqu’un courant ascendant d’air chaud (panache) est créé au-dessus d’une
flamme ; les particules chauffées par la flamme emportent avec elles leur énergie thermique et la
diffusent par collision à d’autres particules plus froides.
par rayonnement, lorsqu’une matière en feu se trouve à proximité d’un objet, avec un volume d’air
qui les sépare ; des particules de lumière (photons) transportent de l’énergie à travers des gaz.
par conduction, lorsqu’un solide froid touche directement à un objet en feu ; les particules du
solide s’agitent sous l’effet de la chaleur et font bouger les autres particules qu’elles touchent.
_________________________________________________________________________________________
Article 6 : Les transferts de chaleur, tous droits réservés © Josianne Roy, www.spiq.ca
3

1. RAYONNEMENT (OU RADIATION)
Le rayonnement est un mode de propagation de la chaleur sous forme d’ondes. Les ondes (ou
rayons) sont formées de particules sans masse appelées « photons ». Le rayonnement est un
mécanisme de transfert de chaleur très important dans un incendie, car il permet à l’énergie radiante
de voyager rapidement sur une très grande distance à travers l’air. Ce mode de transfert permet à la
chaleur de se propager à partir de la surface d’une matière chaude (ex : maison en flamme) vers un
corps gazeux (ex : air ambiant) dont la température est plus faible. Cependant, le rayonnement ne
peut se déplacer à travers les liquides et les solides, qui sont beaucoup plus denses, car ils
absorbent une partie de l’énergie rayonnante et réémettent le reste vers l’environnement. L’énergie
rayonnante peut ainsi s’accumuler sur un corps liquide ou solide, provoquant parfois un changement de
phase, une pyrolyse ou une combustion. En fait, le transfert de chaleur par rayonnement n’est possible
que lorsqu’un gaz, de la vapeur ou le vide sépare les corps impliqués. C’est par exemple le
rayonnement qui permet à une maison située à proximité d’une maison en feu de s’enflammer à son
tour, même si elle se trouve à plusieurs mètres et si aucune flamme n’entre en contact avec elle.
Accumulation de chaleur
sur les surfaces touchées
par le rayonnement. Une
partie de la chaleur est
absorbée et une partie
est réémise.
Tous les objets ayant une température interne au-dessus du zéro absolu émettent un rayonnement
appartenant au spectre électromagnétique (voir article 2). Plus la température du corps augmente, plus
le rayonnement devient intense. Lors d’un incendie, la température atteinte dans la zone de combustion
est de l’ordre de centaines et de milliers de degrés Celsius, ce qui correspond à des rayons de type
infrarouges, visibles et parfois ultraviolets. Ces types de rayonnements diffèrent par leur longueur
d’onde (ou leur fréquence). Par exemple, les flammes sont le résultat visuel du transfert de chaleur
des produits de combustion qui émettent un rayonnement visible au-dessus d’une zone de combustion.
Le taux de transfert de chaleur par rayonnement d’un combustible en combustion vers un corps
froid dépend de plusieurs facteurs tels que :
la distance parcourue par le rayonnement (l’intensité diminue avec la distance)
la nature du combustible et la surface du combustible (mat, lisse, rugueux…)
la température du combustible (change la nature du rayonnement émis) et du corps froid
l’étendue de la surface qui brûle
la couleur de la surface (les corps noirs émettent plus de rayonnement)
l’absorptivité et l’émissivité du corps froid
_________________________________________________________________________________________
Article 6 : Les transferts de chaleur, tous droits réservés © Josianne Roy, www.spiq.ca
4

2. CONVECTION
La convection est un autre mode de transmission de la chaleur qui repose sur un principe physique.
Dans toute flamme naturelle (flamme de diffusion), le panache pointe spontanément vers le haut grâce
à la poussée d’Archimède, qui pousse en hauteur tout fluide dont la densité est plus faible que celle de
l’air ambiant (voir article 3). En montant ainsi, les particules chauffées de l’air chaud transmettent leur
chaleur aux particules de l’air froid qu’elles croisent sur leur passage. Les particules chauffées et
agitées entraînent donc avec elles les particules de l’air environnant par un mécanisme de frottement
(force de traînée visqueuse), provoquant ainsi un courant aspirant d’air sous la flamme, ce qui permet
d’alimenter la flamme en air frais. Ces mouvements de convection sont à l’origine de la propagation de
plusieurs incendies. Par exemple, dans un édifice de plusieurs étages dont l’incendie a débuté au rezde-chaussée,
l’air chaud, qui apparaît souvent sous forme de fumée, monte par convection et permet à
la chaleur de se propager aux étages supérieurs.
Contrairement au rayonnement, qui propage la chaleur sous forme d’énergie radiante grâce à des
particules sans masse (photons), la convection transfère sa chaleur sous forme d’énergie cinétique
grâce à des particules massiques (qui ont une masse) : c’est-à-dire à des molécules, des
radicaux, des atomes ou des ions. Lorsqu’elles ont un surplus d’énergie, les particules massiques
s’agitent de façon désordonnée et entrent en collision avec d’autres particules voisines. Elles leur
transmettent leur énergie par choc, un peu comme une boule de billard transmet son mouvement à une
autre boule lorsqu’elle la heurte. Ce mécanisme de transmission de chaleur par agitation des particules
s’appelle la diffusion moléculaire (ou massique).
AIR FROID
Particules
massiques
« froides »
AIR CHAUD
Particules
massiques
chauffées chauff es
et agitées agit es
La convection permet à
l’air chaud de
transmettre sa chaleur
à l’air froid par
diffusion moléculaire
MOUVEMENTS
DE
CONVECTION
En résumé, les gaz chauffés par
une flamme contiennent des
particules massiques qui
s’agitent sous l’effet de la
chaleur, ce qui augmente leur
vitesse et leur fréquence de
collision avec les particules
environnantes. L’air ainsi
chauffé devient moins dense et
les particules s’éloignent les
unes des autres. Devenu plus
léger, l’air chaud monte par la
Poussée d’Archimède et
transmet sa chaleur par collision
à d’autres particules massiques
qu’il croise sur son passage. Le
transfert de chaleur par
convection peut se faire entre
particules de fluides : gaz,
vapeurs, liquides et aérosols.
_________________________________________________________________________________________
Article 6 : Les transferts de chaleur, tous droits réservés © Josianne Roy, www.spiq.ca
5

3. CONDUCTION
La transmission de chaleur par conduction s’effectue un peu à la façon de la convection, c’est-à-dire
par diffusion moléculaire, sauf qu’elle implique des particules massiques de solides qui sont en contact
direct. Lorsqu’elles sont chauffées, les particules d’un solide ont un surplus d’énergie qu’elles
transfèrent à leurs particules voisines. En effet, les particules d’un solide ne peuvent se déplacer
comme dans un gaz ou un liquide, car elles sont totalement liées aux autres particules, figées à
l’intérieur d’une structure dense et rigide. Elles peuvent donc bouger uniquement par vibration et
faire vibrer les particules voisines à leur tour. C’est de cette façon qu’elles transmettent leur chaleur,
sous forme d’énergie de mouvement vibratoire (énergie cinétique). La conduction se produit aussi
entre liquides, mais elle est négligeable comparée à la convection pour les solides. C’est pourquoi le
transfert de chaleur par conduction se produit principalement lorsque deux objets solides de
température différente sont en contact. Dans un incendie de bâtiment, les tuyaux en métal sont
d’excellents conducteurs de chaleur et leur grande conductivité permet parfois au feu de se propager
sur de grandes distances, le long de leur surface de contact avec des matériaux combustibles.
Les métaux sont de meilleurs conducteurs de chaleur que les
autres solides en raison de leurs liaisons chimiques
métalliques qui sont peu rigides. En fait, leurs liaisons sont
constituées d’électrons libres qui entourent tous les noyaux
du métal de façon continue, se promenant ainsi à travers la
structure métallique dans un mouvement permanent. Cette
grande mobilité des électrons permet de déplacer
facilement les atomes et de transmettre plus rapidement
leur agitation, animée par l’énergie cinétique de vibration.
En recevant de la chaleur,
les atomes du solide
conducteur s’agitent par
vibration et transmettent
leur surplus d’énergie aux
atomes voisins par collision
(diffusion moléculaire).
Vibration des
atomes
« chauffés »
é
é é é
+ + + +
é
é
é
é é
é
é + + + + é
é é é
é Liaisons métalliques é
é
é +
é
+ + + é
é
CONDUCTION
Atomes
« froids et
calmes »
_________________________________________________________________________________________
Article 6 : Les transferts de chaleur, tous droits réservés © Josianne Roy, www.spiq.ca
électron
noyau
6

La conduction entre deux solides de températures différentes dépend de :
la conductivité thermique du solide (inverse de la résistance thermique)
la surface de contact ; plus elle est grande, plus le flux de chaleur transféré est important
les différences de température
l’épaisseur du solide où s’effectue le transfert de chaleur
En résumé, un incendie transmet de la chaleur dans son environnement de 3 principales façons : par
rayonnement, convection et conduction. La compréhension de ces modes de transmission de chaleur est
essentielle pour analyser et prévoir le comportement d’un incendie. Pour cela, il faut examiner la
nature et les propriétés physicochimiques des matériaux impliqués, de même que la température
ambiante et la distance entre les objets.
Références :
1. BOYER L., Feu et flammes, editions Pour la Science, Paris, 2006, 189 p.
2. DRYSDALE., An Introduction to Fire Dynamics, Ed. Wiley, 2 nd ed., USA, 1998, 452 p.
3. QUINTIERE JG., Principles of Fire Behavior, Delmar Publishers, USA, 1998, 258 p.
4. QUINTIERE JG., Fundamentals of fire phenomena, John Wiley & son edition, USA, 2006, 439 p.
5. BORGHI R., DESTRIAU M., La combustion et les flammes, Éditions Technip, Paris, 1995, 373 p.
6. http://canteach.candu.org/library/20070900.pdf
_________________________________________________________________________________________
Article 6 : Les transferts de chaleur, tous droits réservés © Josianne Roy, www.spiq.ca
7