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Le courant thermique est la vitesse à laquelle la chaleur est transférée dans le temps. Comme il s’agit d’un taux d’énergie thermique dans le temps, l’unité SI de courant thermique est le joule par seconde, ou watt (W).
La chaleur circule dans les objets matériels par conduction, les particules chauffées communiquant leur énergie aux particules voisines. Les scientifiques ont étudié le flux de chaleur à travers les matériaux bien avant même de savoir que les matériaux étaient constitués d’atomes, et le courant de chaleur est l’un des concepts qui a été utile à cet égard. Même aujourd’hui, bien que nous comprenions que le transfert de chaleur est lié au mouvement des atomes individuels, dans la plupart des situations, il est peu pratique et peu utile d’essayer de penser la situation de cette manière, et prendre du recul pour traiter l’objet à une plus grande échelle est la manière la plus appropriée d’étudier ou de prédire le mouvement de la chaleur.
Mathématiques du courant de chaleur
Comme le courant de chaleur représente le flux d’énergie thermique dans le temps, on peut considérer qu’il représente une infime quantité d’énergie thermique, dQ (Q est la variable couramment utilisée pour représenter l’énergie thermique), transmise sur une infime période de temps, dt. En utilisant la variable H pour représenter le courant de chaleur, vous obtenez l’équation :
H = dQ / dt
Si vous avez fait des pré-calculs ou des calculs, vous vous rendez peut-être compte qu’un taux de changement comme celui-ci est un excellent exemple de cas où vous voudriez prendre une limite alors que le temps approche de zéro. À titre expérimental, vous pouvez le faire en mesurant le changement de chaleur à des intervalles de temps de plus en plus petits.
Les expériences menées pour déterminer le courant de chaleur ont permis d’établir la relation mathématique suivante :
H = dQ / dt = kA (TH – TC) / L
Cela peut sembler être un ensemble de variables intimidantes, alors décomposons celles-ci (dont certaines ont déjà été expliquées) :
- H : courant de chaleur
- dQ : petite quantité de chaleur transférée pendant un certain temps dt
- dt : petite période de temps pendant laquelle dQ a été transféré
- k : conductivité thermique du matériau
- A : surface de la section transversale de l’objet
- TH – TC : la différence de température entre la température la plus chaude et la plus froide dans le matériau
- L : la longueur sur laquelle la chaleur est transférée
Il y a un élément de l’équation qui doit être considéré indépendamment :
(TH – TC) / L
Il s’agit de la différence de température par unité de longueur, appelée gradient de température.
Résistance thermique
En ingénierie, ils utilisent souvent le concept de résistance thermique, R, pour décrire la manière dont un isolant thermique empêche le transfert de chaleur à travers le matériau. Pour une dalle de matériau d’épaisseur L, la relation pour un matériau donné est R = L / k, ce qui donne cette relation :
H = A(TH – TC) / R
