Conduction thermique

“ 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. ”

“ Un apport de chaleur pourra par exemple compenser, au moins en partie, l’abaissement d’énergie interne des masses gazeuses qui exercent la poussée motrice, et augmenter ainsi l’énergie cinétique obtenue. Autrement dit, on pourra envisager de transformer, sans mécanisme, l’énergie thermique d’une source en énergie cinétique, ou, plus exactement, en un supplément d’énergie cinétique donné à un écoulement gazeux, dont l’existence suppose celle de gradients de pression. ”

“ 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. ”

“ D'une manière générale, un échangeur thermique est composé de deux capacités distinctes séparées l'une de l'autre par une cloison conductrice de la chaleur, de forme plus ou moins complexe, souvent tubulaire, à l'effet d'offrir au passage de la chaleur une étendue aussi grande que possible et d'activer la convexion. Dans ces capacités passent ou séjournent des fluides à des températures différentes. La capacité réservée au fluide chauffant est appelée le primaire de l'échangeur, l'autre est le secondaire. ”

“ 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. ”

“ 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. ”

“ 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. ”

“ Cette énergie thermique nouvelle, acquise par les molécules, sous l'impulsion d'une force, qui n'est autre qu'une mise en action nouvelle de l'action gravifique entre elles, est empruntée au milieu ambiant dans les conditions définies dans l'exposé de la théorie analytique de la Gravitation. Le milieu, qui enveloppe les molécules, n'est autre que celui de leurs champs électriques, tels qu'ils résultent de l'état de leur atmosphère électrique. Le développement de l'énergie thermique des molécules du gaz répond donc à une perte d'énergie potentielle de leur atmosphère éthérique. ”

“ Alors le régime naturel d’aération que nous venons de décrire — régime que l’on peut appeler thermique comme étant engendré par les différences de température, et qui aurait pour effet d’engendrer et de maintenir une ventilation plus ou moins active de l’extrémité plus basse à celle plus élevée — peut être complètement troublé. ”

“ 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 ”

“ Toutes les fois qu'il s'agira de produire le passage de la chaleur d'un corps à un autre par conduction (laissant de côté les effets de la radiation et de la convection) il faudra placer entre ces corps un intermédiaire ayant la moindre épaisseur possible et constitué par un corps bon conducteur, un métal par exemple. Tel est le cas des appareils de chauffage dans lesquels on n'emploie pas l'action directe du foyer, tels que les poêles ”

“ Après qu’il a transformé en travail une partie de son énergie thermique, il faudra lui en rendre : c’est le rôle de la source chaude, où est, en réalité, l’origine de l’énergie que nous utilisons.
D’autre part, le principe d’évolution nous a appris qu’une telle évolution motrice en circuit fermé n’est possible que grâce à l’intervention simultanée d’une seconde source, à température moins élevée que la première : c’est la source froide, dont le rôle inévitable consiste à enlever au fluide une partie de la chaleur que lui a cédée la source chaude. ”

“ Si on ne peut empêcher tout à fait, on peut, du moins pendant un temps fini, rendre pratiquement négligeables les actions qu’exercent, sur un système matériel, des corps extérieurs de température différente. On enfermera par exemple ce système dans un récipient de métal lui-même entouré d’une seconde enceinte métallique dont il est séparé par une matière peu conductrice telle que de la poudre de liège. Ainsi se trouve très atténuée toute possibilité d’action thermique tant par rayonnement que par conductibilité. ”

“ Les transmissions de chaleur à travers les parois sont, au contraire, très lentes, et ne permettent pas de réaliser les cycles extrêmement rapides que l’on obtient très facilement dans les moteurs à combustion interne.
En résumé, dans le moteur à combustion interne, la source chaude est fictive. L’évolution de la cylindrée, au cours de la combustion, est, au point de vue thermodynamique, la même que si le gaz recevait, d’une source extérieure à lui, des quantités de chaleur égales aux quantités d’énergie chimique transformées en énergie thermique. ”

“ 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.) . ”

“ L'énergie mécanique une fois produite peut être transportée de diverses façons : au moyen de liges rigides, comme dans les pompes d'épuisement de mines, au moyen de câbles, ou bien au moyen de fluide sous pression, air ou eau ; les applications de transport d'énergie sous l'orme de courant électrique se font de plus en plus nombreuses : enfin mentionnons le transport d'énergie sous forme de chaleur, au moyen de vapeur d'eau ou d'eau surchauffée. ”

“ 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. ”

“ Si, dans une pensée de transport au loin, l’on compare l’électricité à la chaleur, avec laquelle elle se confond, comme lois de conduction métallique, l’électricité présente cet immense avantage que le rayonnement n’existe relativement pas; en d’autres termes, que la protection d’un canal contre le rayonnement ou contre la propagation au milieu ambiant, est très possible et très facile sur une portée quelconque avec l’électricité, notamment dans les milieux gazeux, tandis qu’elle est très difficile et peu efficace pour la chaleur. ”

“ 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. ”

“ 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. ”

“ Dans tous ces moteurs thermiques à gaz, la gravité n’intervient pratiquement pas, par suite de la faible densité des gaz qui y sont utilisés et des faibles variations de cote verticale qu’ils y subissent. ”

“ 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. ”

“ L'influence de l'excès de température sur le coefficient de transmission peut s'expliquer par le rôle que joue le rayonnement dans ces expériences ; la transmission ne s'effectue pas uniquement par convection, mais aussi en partie par radiation, parce que le tuyau d'eau chaude rayonne sur les parois de l'enveloppe, qui s'échauffent et communiquent leur chaleur à l'air qui se meut à leur contact. ”

“ 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. ”

“ La chaleur développée échauffe de plus en plus le conducteur. Si le conducteur dissipe cette chaleur par conduction, par ra3'onnement ou par convection, ce qui est la règle, réchauffement ne s'accroît que jusqu'à une certaine limite, parce que la dissipation croît avec la température et qu!il arrive un moment où les pertes sont égales aux gains.
Cette température limite est d'autant plus élevée que l'intensité du courant est plus grande et que les déperditions thermiques sont plus faibles (fils couverts d'un isolant, enfermés dans des moulures, etc.) ”

“ La chaleur passe également par conduction d'un corps à un autre avec lequel il est en contact. On appelle coefficient de conductibilité extérieure
extérieure quantité de chaleur qui passe en 1 seconde à travers une surface de 1m 2, les deux corps étant maintenus à des températures différant de 1°.
L'étude de la conduction dans les liquides et les gaz est très difficile à cause de la mobilité de ces corps; l'échauffement d'une partie amène presque toujours la production de courants et la propagation se produit par convection en même temps que par conduction. ”

“ Si deux barres métalliques de dimensions égales, mais formées de substances différentes sont couvertes d’un même enduit qui puisse leur donner une même conducibilité extérieure, et si elles sont assujéties, dans leur extrémité, à une même température, la chaleur se propagera plus facilement et à une plus grande distance de l’origine dans celui des deux corps qui jouit d’une plus grande conducibilité. ”

“ Pour empêcher la déperdition du calorique au travers des conduits destinés à transmettre la chaleur au loin, on les construit et on les entoure de matériaux mauvais conducteurs. Lorsque la surface est recouverte d'une couche de substance peu conductrice, le temps de refroidissement est en raison de l'épaisseur de la couche. Ce principe sert de fondement à la méthode d'envelopper les vases, ou de recouvrir les tuyaux à vapeur, de matières peu conductrices, pour s'opposer à la dispersion de la chaleur ”

“ Nous avons simplement pratiqué une seule ouverture au bas du dossier de la grille ordinaire des foyers découverts, à cette unique ouverture nous avons ajusté et boulonné un seul et unique conduit métallique récupérateur montant verticalement, dans un coffrage spécial d'air nouveau, jusqu'à la hauteur du plafond, point où les gaz brûlés sont enfin rejetés dans le conduit ordinaire de fumée, après avoir transmis au conduit métallique la presque totalité de leur chaleur; ce conduit métallique est muni, à la base, d'une soupape réglant le tirage du feu. ”

“ Lorsque l'aire de l'orifice de sortie est plus grande que la millième partie de la surface de l'eau exposée au feu, on ne peut guère élever la température de la vapeur sortant d'une chaudière par un courant continu, sans tuyau de conduite, au delà de 100 degrés centigrades, quelle que soit la grandeur du feu. ”