Transferts thermiques
La chaleur se déplace de trois façons distinctes, et cette simulation consacre à chacune un banc d'essai complet. Regardez l'énergie se conduire le long d'une barre métallique vers son régime permanent, une couche de fluide chauffée se briser en rouleaux de convection dès que le nombre de Rayleigh dépasse 1708, et le rayonnement traverser un vide jusqu'à ce que chaque plaque se stabilise à la température où ce qu'elle émet compense ce qu'elle absorbe.
Comment utiliser cette simulation
- Basculez entre conduction, convection et rayonnement
- Choisissez le matériau de la barre, du cuivre au chêne, fixez la température de ses deux extrémités et retirez le calorifugeage pour laisser la chaleur fuir dans l'air
- Choisissez le fluide, sa profondeur et l'écart de température qui le traverse, ou coupez la gravité et regardez la convection s'arrêter
- Réglez la température de la source, déplacez chaque plaque sur son rail et donnez-lui une autre surface
- Faites glisser la sonde le long de la barre pour lire la température en tout point
Ce qu’il faut observer
- Le cuivre et le chêne atteignent le même profil permanent, mais l'horloge dit que le cuivre met des minutes et le chêne des jours
- En dessous de Ra ≈ 1708, le fluide refuse de bouger et Nu reste à 1,00 ; au-dessus, la couche se plie en rouleaux et Nu grimpe
- Sans gravité, le fluide reste immobile : c'est pourquoi les engins spatiaux ont besoin de ventilateurs pour refroidir quoi que ce soit
- Doubler la distance d'une plaque divise par quatre le rayonnement qui l'atteint, et son élévation au-dessus de la température ambiante chute d'autant
- Une plaque noire et une plaque grise brillante finissent à la même température : seul le temps qu'elles mettent diffère
La physique derrière
Ici, la conduction est l'équation de la chaleur résolue le long d'une barre réelle : le profil s'incurve vers la droite du régime permanent à un rythme fixé par la diffusivité thermique du matériau, et le flux de chaleur final obéit à la loi de Fourier, Q = kAΔT/L. La convection est un écoulement de Boussinesq bidimensionnel : la poussée d'Archimède lutte contre la viscosité et la diffusion thermique, le nombre de Rayleigh décide laquelle l'emporte, et le nombre de Nusselt indique combien de fois plus de chaleur le fluide en mouvement transporte que la conduction seule. Le rayonnement suit Stefan–Boltzmann dans les deux sens à la fois, l'éclairement décroissant en 1/d² et l'absorptivité de chaque revêtement étant moyennée par bandes sur le spectre de la source ; c'est pourquoi deux surfaces grises se stabilisent à la même température, si brillantes soient-elles, tandis que la peinture blanche reste froide et que le métal poli chauffe.