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Initiation à la VH

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La température

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publié le 5 avril 2005 (modifié le 23 mars 2006)

Qu’est ce que la température ?

La température est un phénomène très complexe qui traduit la vitesse moyenne des molécules gazeuses ou l’agitation des molécules solides qui composent un corps physique.

Le système international d’unités (SI) utilise l’échelle de Celsius. Cette échelle est définie à partir de deux températures caractéristiques de l’eau : celle de la glace fondante (associée à la graduation 0°C) et celle de l’eau bouillante sous pression atmosphérique moyenne (associée à la graduation 100°C). la température minimale absolue est de -273,15°C.

La notion de température est avant tout fondée sur les sensations relatives de chaud et de froid ressenties par le corps humain. Mais il faut savoir que ces sensations dépendent de certains facteurs non directement liés à la température de l’air. Se sécher au vent procure une sensation de froid, le vent augmente la sensation de froid, l’exposition au soleil augmenta la sensation de chaleur.

Comment se mesure la température de l’air? La température de l’air est une valeur définie par sa mesure ou plutôt par la mesure de la température d’un corps physique plongé dans l’air.

Dans l’atmosphère, la variation de température est une baisse de 0,6°C par 100m d’altitude.

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L’énergie

Dans le système international, l’unité de quantité de chaleur est le joule .
Il est défini comme le travail produit par une force d’un newton dont le point d’application se déplace d’un mètre dans la direction de la force (une calorie = 4,186 joules).

Nota : officiellement, la calorie a disparu depuis 1978, c’est une ancienne unité de quantité de chaleur. Elle correspond à la quantité de chaleur qu’il faut apporter à un gramme d’eau liquide pour élever sa température de 15 à 16 °C sous une pression de 1 013 hPa.
Dans le système international, la puissance d’un système énergétique est exprimé en watt (W).
Elle correspond au transfert d’un joule pendant une seconde (1W = 1 J.s-1 ).

Un wattheure (Wh) est le travail effectué pendant une heure par une machine dont la puissance est de un watt (1Wh = 3600 J).

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Les échanges de chaleur

Entre deux corps à température différente s’établit automatiquement un écoulement de chaleur mettant en jeu les processus physiques suivants :

  • le rayonnement,
  • la conduction,
  • la convection. Les échanges de chaleur tendent à égaliser les différences de température entre les deux corps. En outre, les changements d’état d’un corps physique consomment (ou libèrent) de l’énergie.

Illustration schématique des différents échanges de chaleur

Le rayonnement

Le rayonnement est le mode de transfert d’énergie par émission d’ondes électromagnétiques du corps le plus chaud et réception par le corps le plus froid.
Cet échange d’énergie s’effectue sans qu’aucun contact ne soit nécessaire (le soleil chauffe la terre à travers le vide sidéral).
Tout corps soumis à un rayonnement électromagnétique (un objet au soleil par exemple) en absorbe une partie et en réfléchit le reste. Le corps qui absorbe toute l’énergie électromagnétique reçue est appelée corps noir. La partie absorbée est transformée en une autre forme d’énergie (électrique, chimique ou thermique pour une chaussée).
Nous ne tiendrons pas compte des problèmes spécifiques très complexes posés par les longueurs d’onde des rayonnements considérés sauf à distinguer deux types de rayonnement :

  • le rayonnement solaire en provenance du soleil du jour ;
  • le rayonnement terrestre dit de grande longueur d’onde ou rayonnement thermique, émis par tous les corps terrestres.

    - Le rayonnement solaire

    Après filtrage par l’atmosphère, les longueurs d’onde énergétiquement significatives sont situées entre 0,3 et 4 µm et comprennent les longueurs d’onde visibles entre 0,4 et 0,8 μm. Émis par le soleil à une température d’environ 5 500°C, le rayonnement solaire traverse l’atmosphère, qui l’absorbe en partie (29% en s’échauffant), en partie le rediffuse vers l’espace (23%) et vers le sol sous forme de rayonnement diffus et en partie le transmet (arrive au sol directement en provenance du disque solaire).

    Illustration schématique du rayonnement solaire par temps clair
    Par temps clair, le rayonnement global incident représente 48% du rayonnement global (de l’ordre de 1000W.m-2) et un quart de ce rayonnement est diffusé par le ciel.

    Illustration schématique du rayonnement solaire par temps nuageux
    Par ciel très nuageux, il n’y a pas de rayonnement direct, 19% du rayonnement est absorbé par les nuages et 29% du rayonnement atteint le sol sous forme diffuse (de l’ordre de 600 W.m-2).

    Le rayonnement solaire diffus et direct est appelé r ayonnement global incident arrivant au sol.
    Schématisation du rayonnement global incident arrivant au sol
    Soumis au rayonnement solaire, la surface d’un corps solide quelconque réfléchit ou diffuse une partie de ce rayonnement incident : la proportion correspondante est désignée sous le terme d’ albédo . La fraction du rayonnement incident absorbé est appelée absorptance .
    Schématisation du rayonnement global incident arrivant sur la neige
    Les corps transparents, gazeux (air), liquides (eau) ou solides (verre), transmettent la plus grande partie du rayonnement incident et n’en absorbent ou diffusent que quelques pour cent. Ils s’échauffent peu sous l’effet du rayonnement solaire.

    - Le rayonnement terrestre

    Il est émis naturellement par tous les corps de notre planète, y compris l’atmosphère, aux températures que l’on rencontre normalement, et ses longueurs d’onde sont comprises entre 5 et 100 μm ; c’est un rayonnement infrarouge.

    La puissance rayonnée par un corps est fournie par la formule de Stefan-Boltzmann :
    Formule de Stefan-Boltzmann

    σ = 5,67.10-8
    et Ts est exprimée en °C

    La surface d’un corps quelconque reçoit et absorbe ce rayonnement, de plus grandes longueurs d’onde que le soleil, provenant de tous les corps environnants. La surface de ce corps émet elle-même un rayonnement terrestre qui est fonction de sa température et de son émissivité .

    Cette émissivité est en grande partie dictée par la nature et l’état de la surface du corps : par exemple ; elle tend vers l’unité (corps noir idéal), lorsque les irrégularités microscopiques facilitent cette émission propre, naturelle et inévitable ; par contre les métaux finement polis ne présentant pas d’irrégularités de surface, leur émissivité est alors réduite, alors que l’eau ou n’importe quelle surface humide provoque une émission de rayonnement terrestre très voisine de celle du corps noir.

    Quelques émissivités


Matériaux

Emissivité ε

glace
0,97
eau
0,96
neige fraîche
0,95
route revêtue
0,95 à 0,88
neige ancienne
0,85
béton
0,88 à 0,71

La conduction

La conduction est le mode de transfert de l’énergie dans un corps solide.

Deux sortes de conduction sont à considérer :

- la conduction moléculaire gazeuse qui se produit entre la surface du corps et l’air, au sein de la très fine couche limite (de l’ordre d’un dixième de millimètre) d’air immobile, presque collée à la surface, qui joue un rôle d’écran à la transmission de chaleur entre le corps et l’air environnant. Plus un revêtement est grenu, plus cet écran joue son rôle. L’exemple le plus frappant est bien sûr le béton bitumineux drainant qui tend à immobiliser une couche d’air de plusieurs millimètres ;

- la conduction solide qui permet à la chaleur de se propager au sein du volume situé sous la surface du corps, cet échange se faisant sans mouvements moléculaires significatifs.

La conductivité thermique d’un corps est la propriété physique qui caractérise la quantité d’énergie qui traverse en une heure un cube d’un mètre de côté dont deux faces apposées ont une différence de température de 1°C (unité de la conductivité thermique λ : W.m-1.K-1).

La chaleur massique d’un corps est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C la température de 1 kg du corps (notation c, unité J.kg-1.K-1).

Quelques conductivités et chaleurs massiques

La résistance thermique P (en K.m2.W-1) d’une couche d’épaisseur e (en m) est calculée à l’aide de la formule suivante : P = e/ λ.

Formule densité de flux thermique
La densité de flux thermique (en W.m-2) traversant cette couche est calculée à l’aide de la formule :

où T1 et T2 sont les températures des deux faces de la couche considérée.

La convection

La convection est le mode de transfert d’énergie par mise en mouvement d’un gaz ou d’un liquide possédant des différences de température. C’est un flux thermique, il s’exprime en W.m-2 .

- La convection naturelle

Expérimentalement, il est impossible de maintenir l’air parfaitement immobile au contact d’une surface à température différente. Il se crée, au voisinage de la surface, des petits mouvements qui renouvellent l’air en contact et accroissent les échanges. C’est l’origine, thermodynamique, de la convection naturelle.

En l’absence de toute ventilation, les pertes énergétiques par convection d’une surface plus chaude que l’air dépendent de l’orientation de cette surface et de la différence de température entre celle-ci et l’air ambiant.

En effet, si l’on considère les échanges thermiques de la surface du sol avec l’air lors d’une journée sans vent, on constate que ceux-ci sont beaucoup plus importants lorsque la surface du sol est plus chaude que l’air (exemple d’une journée ensoleillée) que dans le cas contraire (exemple d’une nuit froide). Cette différence est due à la dilatation de l’air chauffé tendant à le faire monter par convection naturelle. A l’inverse, l’air refroidi au contact du sol la nuit tend à y stagner et à se stratifier sans engendrer de mouvements turbulents.

Pour une surface horizontale, on peut retenir un échange proportionnel à la puissance 1,25 de l’écart de température soit :

  • Si la surface est plus chaude que l’air : puissance échangée = 2 x ( Ts - Ta )1,25 (en W.m-2) ;
  • Si la surface est plus froide que l’air : puissance échangée = 1,2 x ( Ta- Ts )1,25 (en W.m-2).

- La convection forcée

Si le renouvellement de l’air au contact de la surface est provoqué par une ventilation artificielle (le vent ou le trafic par exemple), le paramètre déterminant devient la vitesse de ventilation.

Par l’effet du souffle, les échanges convectifs sont fortement accrus et deviennent à peu près proportionnels à la différence de température et à la vitesse de ventilation. La puissance échangée par convection forcée est égale à 6,5 x V x ( Ts - Ta ), où V est la vitesse de ventilation exprimée en m.s-1.

On peut remarquer que pour de faibles écarts de température, la convection naturelle correspond à l’effet d’une ventilation forcée de 0,3 m.s-1.

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Site mis à jour le 30 mars 2017
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