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Les différents modes de transfert de chaleur


La chaleur est considérée comme une forme d’énergie instable, exprimée pour l’agitation constante de ses molécules. Elle est mesurée en °C ou °K.

Dans le cas des diverses utilisation de l'énergie solaire thermique , la chaleur est utilisée sous forme d’échange énergétique ou plus communément appelée « transfert d’énergie ». Le transfert de la chaleur se produit de 3 manières différentes.

Les types de transfert de chaleur



La conduction


La conduction est l'un des processus fondamentaux de transfert de chaleur et d'énergie dans différents matériaux. Ce phénomène se produit lorsque la chaleur se propage à travers un matériau ou entre deux objets qui sont en contact direct.

Dans le cas d’une variation de température dans un corps solide et d’agitation de ses particules sans déplacement de matière, le transfert de chaleur se fait sous forme de flux, du froid vers le chaud. La conduction est un phénomène permettant à la chaleur de se propager dans un milieu solide. De plus, elle est déterminée par la loi de fourrier.

Schéma de la conduction CivisolAu niveau microscopique, la conduction thermique est due au déplacement des particules, qu'elles soient des atomes, des molécules ou des électrons, à l'intérieur d'une substance. Lorsqu'une partie d'un matériau est chauffée, les particules de cette région absorbent de l'énergie thermique, augmentant leur agitation et donc leur vitesse. Ces particules en mouvement heurtent alors les particules voisines, transmettant leur énergie cinétique et leur chaleur. C'est ainsi que la chaleur se propage à travers le matériau, du domaine à haute température vers celui à basse température, jusqu'à ce qu'un équilibre thermique soit atteint.

La conduction joue un rôle essentiel dans de nombreux domaines de la vie quotidienne et de nombreuses applications technologiques. Des casseroles sur une cuisinière aux circuits électroniques, en passant par les isolants thermiques dans les bâtiments, la conduction thermique est omniprésente. 


La convection


La convection a pour objectif d’assurer le transfert de chaleur par l’intermédiaire d’un fluide ( liquide, air ou gaz ) en mouvement constant transportant une quantité de chaleur donnée. Les variations de chaleur lors de la convection sont généralement gérées de manière naturelle grâce aux différents fluides, cependant, il est fortement possible d’agir sur ses variations à l’aide d’un moyen artificiel tel qu’un circulateur ou bien par gravité. Le transfert par convection est régi par la loi du Newton.

Ce phénomène se produit grâce à la différence de densité des fluides due aux variations de température. Lorsqu'une partie d'un fluide est chauffée, ses particules deviennent plus agitées et leur énergie cinétique augmente. Cela entraîne une diminution de la densité du fluide chauffé, le rendant ainsi plus léger que la portion environnante plus froide et plus dense.


Schéma convection thermique CivisolLe fluide chauffé, moins dense, tend à monter tandis que le fluide plus froid et plus dense descend pour prendre sa place. Ce mouvement circulaire, appelé courant de convection, crée un processus continu de transfert de chaleur. Un exemple courant de convection est celui de l'eau chauffée dans une casserole : les portions chauffées près du fond montent vers le haut, tandis que l'eau plus froide descend vers le bas, créant ainsi un mouvement de circulation.

La convection joue un rôle essentiel dans de nombreux phénomènes naturels tels que les courants océaniques, les mouvements atmosphériques et les éruptions volcaniques. Elle est également largement utilisée dans des applications technologiques telles que les systèmes de chauffage et de refroidissement, les radiateurs, les climatiseurs, et même dans les processus industriels comme la métallurgie et la chimie.



Le rayonnement


Le rayonnement est l'une des formes de transfert d'énergie qui se propage sous forme d'ondes électromagnétiques à travers l'espace, sans avoir besoin de support matériel pour se déplacer. Contrairement à la conduction et à la convection qui nécessite un milieu matériel pour transférer la chaleur, le rayonnement peut se propager dans le vide.

Tout objet dont la température est supérieure à zéro absolu (0 Kelvin ou -273,15 degrés Celsius) émet un rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement peut être dans le spectre visible, comme la lumière émise par le soleil, ou dans d'autres gammes de longueurs d'onde, telles que les rayons infrarouges ou ultraviolets, selon la température de l'objet.

Schéma rayonnement thermique

La quantité d'énergie rayonnée dépend de la température de l'objet, de sa nature et de sa surface. Selon la loi de Stefan-Boltzmann, la puissance rayonnée par unité de surface d'un objet est proportionnelle à la quatrième puissance de sa température absolue. Ainsi, plus un objet est chaud, plus il émettra de rayonnement.


Le rayonnement joue un rôle crucial dans de nombreux domaines, en particulier en astronomie, où il est utilisé pour étudier les étoiles et les galaxies. Sur Terre, le rayonnement solaire est la principale source d'énergie pour de nombreux processus naturels tels que la photosynthèse des plantes, la régulation du climat et la production d'électricité via les panneaux solaires.

Les utilisations domestiques de l'énergie solaire thermique


Le soleil est une source d’énergie extrêmement importante et « presque » inépuisable ! L’utilisation de cette énergie est fortement appréciée par les domestiques et les entreprises sous 4 formes distincts.



Production d'eau chaude sanitaire


L’énergie solaire thermique est fortement appréciée par les domestiques pour chauffer l’eau et atteindre des températures convenables pour une utilisation quotidienne grâce à l’usage des chauffe-eau solaires ( individuels ou collectifs ). L’objectif de ces chauffe-eau est de récupérer le maximum possible de calories pouvant être ajoutées au fluide caloporteur ( pour un système indirect ) ou directement à l’eau ( pour un système direct ). Aujourd’hui il est encore compliqué de répondre aux besoins des utilisateurs avec uniquement l’énergie solaire.Généralement, l’énergie solaire thermique est utilisée dans des systèmes d’appoints qui viennent se coupler à un ou des système(s) à gaz ou électrique.

Principe de fonctionnement de production d'eau chaude sanitaire



Chauffage domestique


Dans ce cas-là, l'énergie solaire thermique est utilisé dans l’objectif de garantir un confort thermique pour les domestiques. Une des utilisations les plus courantes dans ce cas est le plancher chauffant. Ce dispositif consiste à former un réseau du tuyau et de distribution dans lequel circule un fluide dit caloporteur qui diffuse de la chaleur dans les sols et les murs.

Principe de fonctionnement du chauffage domestique



Refroidissement solaire


Le principe de froid solaire est d’utiliser indirectement l’énergie solaire thermique pour générer du froid grâce à un dispositif à absorption dit frigorifique permettant de transformer la chaleur en froid. Cette méthode sert à assurer, surtout en été, des températures convenables dans les habitations. La climatisation solaire, basée sur les mêmes principes, est aussi de plus en plus utilisée. Elle a pour but de refroidir un emplacement donné tout en réduisant les points de consommations électriques, ainsi que les charges environnementales tout en diminuant les émissions de gaz CO2 par la non-utilisation abusive des fluides frigorifiques.


Principe de fonctionnement du refroidissement solaire



Chauffage des piscines


En utilisant des capteurs à moquette, l'énergie solaire thermique peut garantir une température optimale des piscines couvertes et non couvertes. Avec un chauffage performant et régulier, ce système est de plus en plus utilisé pour obtenir des températures convenables dans les piscines et bassins.


Principe de fonctionnement du chauffage des piscines

Chauffage des aliments

Le principe de base du chauffage des aliments grâce à l'énergie solaire thermique consiste à capturer la lumière solaire à l'aide de réflecteurs, de miroirs ou de lentilles, puis à la concentrer sur une surface spécifique où se trouve l'aliment à chauffer.

Cette concentration de lumière solaire génère de la chaleur, qui est ensuite transférée à l'aliment, provoquant ainsi sa cuisson, sa cuisson lente ou son séchage, selon le type de dispositif utilisé.

Les fours solaires sont l'un des dispositifs les plus couramment utilisés pour le chauffage des aliments grâce à l'énergie solaire thermique. Ils se présentent sous différentes formes et tailles, allant des simples boîtes en carton recouvertes de papier aluminium aux modèles plus complexes dotés de miroirs paraboliques ou de lentilles de Fresnel.

Les cuiseurs solaires sont une autre forme de dispositif utilisé pour le chauffage des aliments grâce à l'énergie solaire thermique. Contrairement aux fours solaires qui sont souvent utilisés pour la cuisson de gros volumes d'aliments, les cuiseurs solaires sont conçus pour cuire de plus petites quantités d'aliments de manière plus rapide et efficace.

Ils se composent généralement d'une boîte isolée recouverte d'un matériau transparent tel que du verre ou du plastique, permettant à la lumière solaire de pénétrer à l'intérieur et de chauffer l'aliment placé dans un récipient à l'intérieur de la boîte.

En plus d'être une méthode écologique et durable, le chauffage des aliments grâce à l'énergie solaire thermique présente de nombreux avantages. Il permet de réduire la dépendance aux combustibles fossiles, de diminuer les émissions de gaz à effet de serre et de contribuer à la préservation de l'environnement. De plus, cette méthode de cuisson est souvent économique, car elle utilise une source d'énergie gratuite et abondante : le soleil.

cuiseur solaire