CONFORT DANS LA MAISON ET L’ENTREPRISE / Comment chauffer ou se chauffer ?

Pour chauffer un corps, c’est-à-dire élever sa température, il faut lui fournir de l’énergie. C’est ce qui se passe lorsque l’on chauffe une casserole d’eau sur une gazinière : la combustion du gaz génère une flamme et de la chaleur, appelée énergie thermique. C’est cette énergie thermique qui est transférée à la casserole et qui élève sa température.

Équilibre thermique

Entre un corps chaud et un corps froid, la chaleur se transmet toujours spontanément du corps chaud vers le corps froid, de proche en proche, jusqu’à atteindre un équilibre thermique entre les deux corps.

Coefficient de conductivité thermique

Les matériaux, selon leur nature, transmettent plus ou moins bien la chaleur : cette capacité à transmettre la chaleur est caractérisée par le coefficient de conductivité thermique $\bf \lambda$, exprimé en watt par mètre et par kelvin : $\rm W/(m.K)$. Ainsi, plus le coefficient de conductivité thermique d’un matériau est élevé, plus le matériau est conducteur de chaleur.

Capacité thermique massique

Les matériaux possèdent aussi une aptitude plus ou moins élevée à absorber de l’énergie thermique lorsqu’ils sont chauffés. Par exemple, lorsque l’on fournit la même quantité de chaleur à $\rm 1~kg$ d’eau et à $\rm 1~kg$ d’huile, au final la température de l’huile est supérieure à celle de l’eau. Cette aptitude que possède un corps à absorber de l’énergie thermique est caractérisée par la capacité thermique massique $\bf c$, exprimée en Joule par kilogramme et par kelvin : $\rm J/(kg.K)$. Il existe un lien de proportionnalité inverse entre $\rm c$ et $\lambda$.

Quantité de chaleur transférée

L’énergie thermique $Q$ à fournir à un corps de masse m et capacité thermique massique $\rm c$ pour élever sa température de $\rm T$ est donnée par la relation :

\[\mathcal Q = \bf{m \times c \times T}\]

Avec :
        \[\begin{array}{ll}Q \text{ en joule},\\ \rm m \text{ en kilogramme},\\ \rm c \text{ en } J/(kg.K),\\ \rm T \text{ en } kelvin \rm \left(T=T_{finale} - T_{initiale}\right)\end{array}\]

Lorsque l’on pose le doigt sur du bois ou sur un métal, tous deux pris à la même température de $\rm 20°C$ par exemple, l’échange de chaleur entre le doigt et le matériau est plus important avec le métal : c’est la quantité de chaleur $Q$ transférée et non la différence de température qui procure la sensation de froid ou de chaud.

Les convecteurs électriques sont souvent utilisés pour chauffer nos bâtiments : ils transforment l’énergie électrique en énergie thermique.

Transfert de l’énergie thermique selon deux modes

L’énergie thermique transmise à un corps pour le réchauffer peut s’effectuer :

• À distance par rayonnement thermique : c’est ce que l’on ressent en passant à proximité d’un feu de cheminée ou d’un four électrique en fonctionnement, ou encore en plein soleil sur la plage en été ;
• Au contact d’un corps plus chaud, cette transmission de chaleur s’effectue :

• par conduction lorsque les deux corps sont solides : la chaleur se transmet de proche en proche, sans déplacement de matière ;
• par convection dans les milieux fluides (liquides ou gazeux) : la chaleur se transmet par déplacement de matière, sous forme d’un flux cyclique.

Loi d’Ohm

La résistance chauffante d’un grille pain, d’un allume-cigare, d’un convecteur électrique ou d’un four électrique est à l’origine de la conversion de l’énergie électrique en énergie thermique : le courant électrique qui y circule, matérialisé par les électrons, échauffe les atomes du conducteur électrique : il en résulte un dégagement de chaleur. 

La loi d’Ohm établit la relation entre la tension électrique $\rm U$ aux bornes du conducteur électrique et l’intensité $\rm I$ du courant qui le parcourt : $\rm U = R \times I$, ou $\rm \displaystyle I = \frac{U}{R}$ avec $\rm R$ la résistance ohmique.

La résistance chauffante est un dipôle ohmique qui transforme intégralement l’énergie électrique reçue en énergie thermique. Ainsi, par effet Joule :

• La puissance $\bf P$ dissipée s’écrit : $\rm P = U \times I = U \times \displaystyle \frac{U}{R} = \frac{U^2}{R}$
• L’énergie $\bf E$ dissipée s’écrit : $\rm E = P \times \mathcal t = \displaystyle \frac{U^2}{R \times \mathcal t}$

Dans ces relations :

• $\rm P$, puissance électrique, en watt $\rm (W)$ ;
• $\rm E$, énergie électrique, en joule $\rm (J)$ ;
• $\rm U$, tension électrique, en volt $\rm (V)$ ;
• $\rm I$, intensité électrique, en ampère $\rm (A)$ ;
• $\rm R$, résistance ohmique, en ohm $(\Omega)$ ;
• $t$, durée de fonctionnement, en seconde $\rm (s)$.

On peut exprimer la durée de fonctionnement en heure. Dans ce cas, l’énergie électrique est exprimée en wattheure $\rm (Wh)$, avec $\rm 1~Wh = 3~600~J$.

Combustion d’hydrocarbure

Un moteur thermique, essence ou Diesel, est le siège de réactions de combustion de carburant. Ce carburant, essence ou gazole est un mélange d’hydrocarbures, qui , lorsqu’ils brûlent, libèrent entre autres, de l’énergie thermique : la combustion d’un hydrocarbure libère de l’énergie.

Il en est de même pour les chaudières à fioul ou à gaz : elles réalisent la conversion de l’énergie chimique, contenue dans un hydrocarbure, en énergie thermique, utilisée pour chauffer ou se chauffer.

Combustion complète et combustion incomplète

La réaction de combustion d’un hydrocarbure est une réaction chimique entre un hydrocarbure, tel que le méthane du gaz de ville, le butane retrouvé dans les briquets, ou l’octane présent dans l’essence et le dioxygène de l’air.

Lorsque l’apport en dioxygène est suffisant, la flamme présente une couleur bleue et la combustion est qualifiée de complète : les produits résultant sont le dioxyde de carbone $\bf{CO_2}$ et l’eau $\bf{H_2O}$, selon l’équation de réaction :

• Cas du méthane : $\rm CH_4 + 2~O_2 = CO_2 + 2~H_2O$

Lorsque l’apport en dioxygène est insuffisant, la flamme présente une couleur jaune orangée et la combustion est qualifiée d’incomplète : les produits résultant sont le monoxyde de carbone $\bf{CO}$, le carbone $\bf C$ et l’eau $\bf{H_2 O}$, selon l’équation de réaction (cas du méthane) :

• Apport en dioxygène insuffisant : $\rm 2~CH_4 + 3~O_2 = 2~CO + 4~H_2O$
• Apport en dioxygène encore plus limité : $\rm CH_4 + O_2 = C + 2~H_2 O$