Les transferts de chaleur

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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
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Page 3: Lorsque la chaleur est transférée
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