Conductibilité thermique

“ Dans le foyer, il y a des températures très diverses, toutes supérieures à celle de la paroi de la chaudière, et dont certaines sont extrêmement élevées, aux points mêmes où se produit la combustion et dans les flammes auxquelles elle donne naissance. Ces températures n’ont rien de commun avec celle de la source thermodynamique, à laquelle le fluide emprunte l’énergie thermique exigée pour son évolution. Nous avons d’ailleurs évité ce malentendu en définissant (§ 9) la source chaude comme constituée par les parois de la chaudière. ”

“ En fait, dans la pratique industrielle courante, on crée sur place l’énergie thermique nécessaire, au contact des parois externes de la chaudière, au moyen d’un foyer qui l’entoure, dans lequel on réalise la combinaison chimique d’un combustible avec l’oxygène de l’air : l’énergie potentielle chimique qui disparaît dans la réaction se transforme en fournissant l’énergie thermique désirée. ”

“ Symétriquement sont « moteurs » ou « négatifs » les changements thermiques (refroidissements, congélations, absorptions de radiation, etc.) qui enrichissent l’extérieur comme peut faire un abaissement de poids, étant capables, par exemple, de déterminer l’échauffement d’un corps « froid ».
23. Équivalence des enchaînements entre changements thermiques. — Un changement thermique a été défini comme pouvant être la cause ou l’effet d’un autre changement thermique, rien d’autre ne se passant. ”

“ La transmission de la chaleur par conductibilité est celle que l'on envisage principalement dans les applications usuelles. C'est grâce it la connaissance des coefficients de conductibilité, que l'on peut choisir, à bon escient, les matériaux de construction des habitations, lesquels doivent être mauvais conducteurs, et les métaux devant former les parois des appareils de chauffage qui doivent être bons conducteurs. ”

“ Si le gaz est suffisamment éloigné de son point de condensation, les molécules semblent ne plus exercer d'action les unes sur les autres ; la relation entre le volume, la pression et la température du milieu, sous l'influence des pressions extérieures et de l'action de la chaleur, est réglée par la seule condition mécanique d'une exacte compensation entre l'énergie de translation thermique des molécules et le travail développé par la résistance élastique de l'enveloppe. ”

“ Par le fait de la compression ou accroissement de tension du milieu gazeux et de son augmentation de densité, une partie de l'énergie latente ou de tension des molécules est transformée en énergie thermique dans l'état d'équilibre statique correspondant. L'énergie active ainsi développée vient en déduction de la quantité de chaleur nécessaire, d'une part, pour relever la température, d'autre part, pour permettre la transformation d'une partie du liquide en vapeur, de manière à mettre la densité du milieu en rapport avec son nouveau degré de saturation. ”

“ Ce flux d'énergie, qui maintient l'état d'équilibre dynamique des milieux, répond exactement au flux de chaleur qui, dans la théorie de l'équilibre thermique de l'atmosphère moléculaire, considérée comme centre de refroidissement, vient, des limites extrêmes du milieu général ambiant, se concentrer sur la molécule et faire équilibre à la perte constante de chaleur subie par l'atmosphère centrale. ”

“ Si nous admettons que le principe de la dissipation de l'énergie est vrai non seulement dans des cas où la chaleur est abandonnée à elle-même dans un corps conducteur, mais aussi dans le cas d'une distribution de température maintenue artificiellement, comme cela a lieu dans la longue barre de Forbes, on peut expliquer sans difficulté ce fait, que la conductibilité spécifique doit varier en raison inverse de la température absolue. ”

“ Bref, quel que soit le genre de l’enchaînement entre un changement mécanique et un changement thermique, on retrouve toujours prix égal pour résultat égal : il y a équivalence des enchaînements possibles, comme entre changements mécaniques et comme entre changements thermiques, ou encore :
Aucun dispositif n’est plus avantageux qu’un autre pour acheter de la chaleur avec du travail. ”

“ Pour être complète, l'étude d'une machine thermique doit aujourd'hui s'appuyer sur les principes de la théorie mécanique de la chaleur, aussi nécessaire aux ingénieurs que l'est celle de la résistance des matériaux. ”

“ Lorsqu'on doit transporter la chaleur à distance, dans des conduits ou des tuyaux, par un courant d'air chaud, d'eau chaude ou de vapeur, il importe, pour réduire, dans le transport, les pertes de chaleur qui tendent toujours à se produire, sous l'action refroidissante du milieu ambiant, d'entourer ces tuyaux d'une enveloppe de corps mauvais conducteur de la chaleur. ”

“ Nous verrons plus loin que dans les foyers intérieurs la chaleur transmise, par mètre carré de métal, est notablement plus considérable que dans les chaudières à foyer extérieur. Aussi la tôle exposée au rayonnement doit-elle être, encore plus peut-être que pour les foyers extérieurs, de qualité tout à fait supérieure et d'une homogénéité parfaite pour que la conductibilité ne soit en rien altérée. ”

“ La surface léchée par les gaz de la combustion ou surface de chauffe indirecte a un pouvoir de transmission moins élevé. On s'efforce de la développer le plus possible avec le minimum d'encombrement, de façon à bien absorber la chaleur des gaz. ”

“ La Terre elle-même contient d’énormes réserves d’énergie thermique. Mais le second principe de la Thermodynamique nous apprend que la transformation de cette énergie en travail ne peut être obtenue qu’en mettant à profit les différences de température qui peuvent exister entre diverses portions de cette réserve, et les écoulements spontanés de chaleur qu’elles provoquent. Ces différences de température sont rarement assez grandes et assez stables, entre masses importantes voisines, pour permettre l’installation de machines dans des conditions pratiques. ”

“ La transmission par conductibilité ou par conduction s'opère, comme nous l'avons dit, généralement dans les corps solides ; lorsque les diverses parties se trouvent à des températures différentes, la chaleur se transmet de la plus chaude à la plus froide par vibration directe de molécule à molécule.
La vitesse de propagation de la chaleur dépend de la nature du corps et de la différence de température. Certains corps transmettent rapidement la chaleur à travers leur masse, tels sont les métaux, on les appelle bons conducteurs ”

“ La vapeur ou la substance qui se détend,car l'air ou un autre gaz conviendrait tout aussi bien doit toujours être en contact avec des corps ayant la même température qu'elle, ou bien avec des corps imperméables à la chaleur. Si elle était en contact avec un corps ayant une température autre que la sienne, il y aurait perte de chaleur. Celle-ci passerait par conductibilité du cylindre aux corps extérieurs et serait perdue pour le travail à produire. ”

“ L'application des principes de la théorie nouvelle de la chaleur aux gaz permanents ainsi considérés est d'une extrême simplicité. La totalité de la chaleur qu'ils reçoivent du dehors est employée à élever leur température ou est convertie en travail mécanique extérieur. ”

“ Dans une machine à vapeur à condensation, le plus grand rendement qu’il est possible de réaliser avec les températures usuelles ne saurait dépasser environ = 20
pour 100. A ce grand rendement théorique donné par le moteur à gaz, et basé direc-
392 CONGRÈS INTERNATIONAL DES ÉLECTRICIENS- tement sur les lois thermodynamiques, il faut ajouter l’absence du fourneau et de la cheminée nécessaires pour la chaudière qui augmentent la perte effective de la chaleur par la conductibilité et le rayonnement. ”

“ Il n'y a, vous le savez, rien de remuant comme un gaz, et si l'on permettait aux molécules échauffées d'aller à tort et à travers fraterniser avec celles qui ne le sont pas, elles leur auraient vite communiqué leur chaleur, sans que le gaz cesse pour cela d'être mauvais conducteur, de même que notre thermomètre montant tout à l'heure au haut du vase ne prouvait rien en faveur de la conductibilité de l'eau dans laquelle il était plongé. ”

“ Nous admettrons encore qu’il y a échange de chaleur et, si la température de A s’élève, nous dirons que la chaleur est cédée à ce corps par B. Il peut même arriver qu’un corps cède de la chaleur, bien que sa température continue à s’élever ; c’est ce qui arrive, par exemple, quand on comprime un gaz ; ce gaz s’échauffe, bien que, devenu plus chaud que les corps avoisinants, il leur cède de la chaleur par rayonnement et par conductibilité. ”

“ Au moyen du chauffage par l'hydrogène, on réalise cette condition, et, comme on n'a plus alors à redouter les accidents dus aux produits de la combustion, toute la chaleur développée peut être utilisée pour le chauffage. ”

“ Bien entendu, n’est pas forcément égal au travail extérieur , ni à l’action thermique extérieure . Mais la somme égale à mesure aussi bien la répercussion extérieure du changement. Bref :
Tout changement peut se payer par une variation de niveau d’un poids, et par un échauffement d’un thermostat.
32. Mesure thermodynamique d’un changement. — Ainsi nous pouvons regarder comme résolue la question que nous nous étions posée : chaque changement efficient peut être payé par un travail (moteur ou résistant) et un échauffement de thermostat. ”

“ Lorsqu'on commence à chauffer un corps, la chaleur transmise à la surface se communique à l'intérieur, et la température s'élève peu à peu, de proche en proche, suivant une loi qui dépend du temps, de la conductibilité du corps, de sa densité et de sa chaleur spécifique. ”

“ Dans tous ou presque tous nos appareils modernes, on s'est efforcé de résoudre ce problème : Utiliser le plus complètement et le plus économiquement possible la chaleur dégagée en bridant les combustibles proprement dits. ”

“ L'équipement thermique
17. — L'énergie thermique. — Les moteurs thermiques sont actionnés : — soit par la force d'expansion de la vapeur d'eau (machines à vapeur) ; — soit par l'explosion de gaz ou du pétrole (moteurs à explosion) . En outre, il existe des accumulateurs thermiques ou de vapeur (types Rateau, Ruths, etc.) .
Section première
Machines à vapeur
18. — Chaudière. — La vapeur est produite par le chauffage de l'eau dans une chaudière (dite générateur de vapeur) , récipient rempli d'eau partiellement et chauffé par un combustible (charbon, bois, etc.) . ”

“ Les surfaces chauffantes étant en fer ou en fonte, métaux de capacité calorifique faible, le poids de matière étant lui-même aussi réduit que possible, le refroidissement des appareils de chauffage est très rapide, dès qu'on supprime l'admission de la vapeur. ”

“ Pour utiliser la chaleur dégagée dans les foyers, il faut, comme nous l'avons déjà dit, la transmettre aux corps qui, sous son influence, doivent s'échauffer, se transformer ou se décomposer. Dans certains cas, notamment dans la plupart des fourneaux métallurgiques, cette transmission peut s'effectuer par le contact direct des gaz de la combustion; mais le plus souvent il est nécessaire d'établir des appareils intermédiaires qui laissent passer la chaleur tout en empêchant le contact des gaz. Ces appareils intermédiaires peuvent être désignés sous le nom général de récepteurs de chaleur. ”

“ Il est évident qu'il y a intérêt, au contraire, à employer des corps mauvais conducteurs et épais, s'il s'agit de s'opposer à la transmission de la chaleur. Parmi tous les corps, les gaz, l'air, peuvent être avantageusement utilisés; mais ils doivent être placés dans des conditions telles qu'ils ne puissent se déplacer ou que, au moins, ils soient gênés dans leurs déplacements, sans quoi le phénomène de convection se produit et, amène rapidement la transmission de la chaleur. ”

“ On est à peu près unanime à reconnaître que l’homme qui ne se livre pas à un travail manuel éprouve l’impression du froid au-dessous de 15 degrés du thermomètre centigrade. Au reste, l’impression que la chaleur artificielle produit sur le corps humain dépend surtout du mode de chauffage. Devant une cheminée qui détermine, un appel d’air abondant, on supporte, sans en éprouver d’incommodité, une température plus élevée qu’au voisinage d’un foyer, tel qu’un poêle, dont la puissance d’aérage est très limitée. ”

“ Ainsi, pour maintenir notre corps à une température constante sous des climats fort différents et par des températures qui peuvent varier de plus de 100°, il est nécessaire de faire varier l'activité des combustions internes en proportion de la chaleur à fournir pour faire équilibre aux pertes dues au rayonnement du corps, et au contact de l'air plus ou moins froid et plus ou moins agité. ”

“ L'appareil producteur de chaleur dans un calorifère à air chaud se compose essentiellement de deux parties : le foyer, dans lequel se produit la combustion du charbon, et la surface de chauffe, dans laquelle on fait circuler les gaz de la combustion, qui transmettent leur chaleur, au travers des parois métalliques, à l'air qui circule à leur contact. ”

“ Dans les appareils de chauffage munis d'un foyer, l'air est obligé de traverser une grille chargée d'une couche de combustible plus ou moins épaisse, et il éprouve, à ce passage, une résistance considérable qui se traduit par une perte de charge. ”

“ Ce tableau montre que tous les métaux ont une capacité beaucoup plus faible que celle de l'eau pour la chaleur, et comme les corps qui absorbent le plus de chaleur pour un accroissement donné de température sont aussi ceux qui en restituent le plus pour un abaissement égal, on voit combien les réservoirs et les récipients d'eau chaude sont convenables pour produire un chauffage régulier, malgré les irrégularités du feu. ”

“ Puisque nous nous occupons de chaleur, plaçons ici quelques mots sur la conductibilité calorifique, c'est-à-dire sur la facilité plus ou moins grande avec laquelle la chaleur est transmise par les corps ; cette propriété intervient dans le problème de la construction. Le but principal et premier que l'homme s'est proposé en élevant une habitation a été évidemment de se défendre contre les intempéries et les rigueurs du climat. ”