Transfert Thermique – Cours et Exercices corrigés

La thermique se propose de décrire quantitativement (dans l’espace et dans le temps) l’évolution des grandeurs caractéristiques du système, en particulier la température, entre l’état d’équilibre initial et l’état d’équilibre final.

Les transferts d’énergie sont déterminés à partir de l’évolution dans l’espace et dans le temps de la température : T = f (x,y,z,t). La valeur instantanée de la température en tout point de l’espace est un scalaire appelé champ de température. Nous distinguerons deux cas :

– Champ de température indépendant du temps : le régime est dit permanent ou stationnaire.

– Evolution du champ de température avec le temps : le régime est dit variable ou transitoire.

La chaleur s’écoule sous l’influence d’un gradient de température des hautes vers les basses températures. La quantité de chaleur transmise par unité de temps et par unité d’aire de la surface isotherme est appelée densité de flux de chaleur.

Les principaux modes de transfert de chaleur sont :

La Conduction

La chaleur se transmet au travers d’un corps sans déplacement de la matière qui constitue ce corps. Le transfert de chaleur s’effectue de proche en proche des zones les plus chaudes vers les zones les plus froides. C’est le mode de transmission de la chaleur dans les solides et dans les fluides au repos.

La Convection 

La chaleur se transmet d’un corps solide chaud à un fluide plus froid (ou inversement) en mvt au voisinage de celui-ci et également au sein du fluide par mouvement de tout ou une partie de ces constituants. Le mouvement du fluide peut être provoqué mécaniquement (pompe, ventilateur…) la convection est dite forcée. Lorsque le mouvement se produit naturellement sous l’effet des gradients de la température et donc la masse volumique, la convection est dite libre.

Le rayonnement 

Les atomes, molécules et électrons libres des corps peuvent perdre, de façon spontanée ou au cours d’interactions, une partie de leur énergie cinétique ce qui donne lieu à l’émission d’un rayonnement électromagnétique. Lorsqu’un tel rayonnement est intercepté par la surface d’un corps, une partie est absorbée et se retrouve dans l’énergie cinétique de ces composants, c’est –à dire sous forme de chaleur. Un transfert de chaleur s’opère ainsi (des corps rayonnant les plus chauds vers ceux à plus basses températures) sans support matériel.

Plan du cours de Transfert Thermique

I- Généralités

II- Conduction

III- Rayonnement

IV- Convection

V. Applications

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Physique des matériaux I : Cours – Résumés – Exercices corrigés – TD corrigés – Examens corrigés

Les propriétés des matériaux (des solides entre autres) sont définies par l’arrangement atomique, la microstructure et la nature des liaisons chimiques. L’étude des relations entre ces 3 paramètres constitue la Sciences des matériaux.

Aucun objet ne peut être élaboré sans matériaux. Ainsi, tous les secteurs de l’activité humaine en dépendent, de la puce à l’édification d’un barrage hydroélectrique par exemple. Ci-dessous, nous donnons 3 exemples importants de l’utilisation des matériaux solides.

a- La ligne haute tension : dans une telle ligne, plusieurs types de matériaux sont nécessaires pour obtenir un système fonctionnel. Ainsi, on y trouve des matériaux conducteurs, isolants, des céramiques, des polymères et du béton.

b- Les prothèses : la mise au point de prothèses biomédicales utilise des polymères, des céramiques et des métaux.

c- L’industrie électronique : Le silicium monocristallin est indispensable dans cette industrie. On le retrouve dans les circuits intégrés, les ordinateurs, la robotique, les panneaux photovoltaïques……

Plan du cours de la physique des matériaux I

Chapitre_1 : Les réseaux

Introduction générale

1. Le réseau direct

2. Classification des réseaux de Bravais

3. Plans réticulaires et indices de Miller

3.1 Position dans la maille

3.2 Rangée

3.3 Plans réticulaires

3.4 Indices de Miller

4. Le réseau réciproque

4.1 Construction

4.2 Généralisation

4.3 Propriétés

5. Applications

Application 1 : Le réseau cubique

Application 2 : Réseau tétragonal primitif

Chapitre_2 : Les structures

1. Structure cristalline

2. Caractérisation d’une structure cristalline

3. Empilements compacts

4. Structures usuelles

5. Structures particulières

6. Les défauts dans les structures

7. Alliages

8. Structures non idéales

9. Structures non cristallines

10. Applications

Chapitre_3 : Détermination des structures par diffraction des rayons X

1. Diffraction à l’échelle macroscopique

2. Etude de la diffraction cristalline

3. Formulation de Bragg

4. Formulation de von Laue

5. Equivalence des formulations de Bragg et von Laue

6. Construction d’Ewald

7. Amplitude diffusée et facteur de structure

8. Identification des structures par DRX

9. Applications

Chapitre_4 : Les nouveaux matériaux

1. Introduction

2. Les quasi-cristaux

3. Les nanostructures

3.1 Définition

3.2 Propriétés

3.3 Techniques de fabrication

3.4 Techniques d’imagerie des nanostructures

4. Quelques exemples de nanomatériaux

5. Applications

Application 1: Diffraction par une chaîne linéaire

Application 2: Facteur de structure d’un réseau plan

Chapitre_5 : Energie de cohésion

1. Introduction

2. Energie de cohésion des cristaux ioniques

2.1 Energie de Madelung

2.2 Evaluation de la constante de Madelung

2.3 Evaluation de r

3. Energie de cohésion des cristaux moléculaires

3.1 Energie potentielle d’interaction dans les cristaux de gaz neutres

3.2 Paramètres du réseau à l’équilibre

4. Energie de cohésion des cristaux covalents et des métaux

5. Cristaux à liaison hydrogène

6. Rayons atomiques et ioniques

7. Applications

Chapitre_6 : Constantes d’élasticité et ondes élastiques

1. Introduction

2. Analyse des contraintes

3. Analyse des déformations

3.1 Déformation uniforme

3.2 Déformation non uniforme

3.3 Remarque

3.4 Dilatation

4. Loi de Hooke et constantes d’élasticité

5. Propagation des ondes élastiques dans les cristaux cubiques

6. Déterminations expérimentales des constantes d’élasticité

7. Application

Chapitre_7 : Phonons et vibrations des réseaux

1. Défaut du réseau statique

2. Approximation du cristal harmonique

3. Théorie classique du cristal harmonique

4. Vibrations d’une chaîne diatomique

5. Chaleur spécifique du réseau et loi de Dulong-Petit

6. Quantification des vibrations du réseau

7. Propriétés optiques dans l’infrarouge

8. Phonons localisés

9. Applications

Chapitre_8 : Théorie de Drude pour les métaux

1. Notion de classification

1.1 Structure cristalline et propriétés physiques

1.2 Liaison cristalline et propriétés physiques

1.3 Conductivité électrique des matériaux

2. Matériaux conducteurs

3. Modèle de Drude pour les métaux

3.1 Bases théoriques pour le modèle de Drude

3.2 Calcul de la conductivité électrique des métaux

3.3 Comparaison avec les résultats expérimentaux

3.4 Chaleur spécifique des métaux

3.5 Conductivité thermique et loi de Wiedemann-Franz

3.6 Conclusion

4. Application

Chapitre_9: Matériaux semi-conducteurs

1. Approche qualitative de la notion de bandes d’énergie dans les solides

2. Propriétés électriques des semi-conducteurs

2.1 Matériaux semi-conducteurs

2.1.1 Eléments de la colonne IV

2.1.2 Les cristaux III‒V

2.1.3 Les cristaux II‒VI

2.1.4 Les oxydes métalliques

2.1.5 Autres matériaux semi-conducteurs

2.2 Dopage d’un semi-conducteur

2.3 Conductivité électrique dans un semi-conducteur

3. Applications

Chapitre_10 : Matériaux supraconducteurs

1. Mise en évidence expérimentale de la supraconductivité

2. Fermions et bosons

3. Modèle BCS pour la supraconductivité

4. Effet Meissner

5. Classification des supraconducteurs

6. Matériaux supraconducteurs

7. Applications de la supraconductivité

Liens de téléchargement des cours de la physique des matériaux I

Cours N°1 de la physique des matériaux I

Chapitre 10

Cours N°2 de la physique des matériaux I

Liens de téléchargement des résumés de la physique des matériaux I

Liens de téléchargement des TD et exercices corrigés de la physique des matériaux I

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