Le Froid

Le froid trouve de nombreuses applications dans des domaines très variées (industries agro-alimentaires, médecine, confort thermique, pétroléochimie…) et c’est dans le domaine alimentaire que le froid occupe une place prépondérante car il permet de limiter les gaspillages (pertes après récolte…) et de prolonger la durée de conservation des produits ce qui permet un élargissement des échanges.

On a pu estimer que dans certaines régions du monde, 50% des denrées alimentaires disponibles se perdent entre la période qui s’écoule entre le moment de la production et celui de la consommation. Ainsi, dans le domaine alimentaire, l’objectif du froid est de maintenir la qualité originale des produit en limitant (ou en supprimant) les altérations liées au développement des microorganismes, altérations très rapides dans les pays chauds à cause des conditions climatiques (température, humidité relative) qui sont favorables à la prolifération des bactéries, levures et moisissures.

Pour les produits fabriqués par l’industrie agroalimentaire (lait, fromage…), le froid permet d’améliorer leur qualité en favorisant la maîtrise des conditions de fabrication par une optimisation des paramètres climatiques influençant le comportement des microorganismes.

Le froid permet aussi l’augmentation du volume de production agricole par la modification du cycle végétatif des plantes améliorant ainsi leur rendement (printanisation des céréales…).

En production animale, le froid permet la conservation longue durée du sperme destiné à l’insémination artificielle ou encore la conservation des sérums et des vaccins destinés à enrayer les épidémies frappant les animaux.

L’avancée technologique de nos jours qui autorise un contrôle plus précis de la température et de l’humidité permet d’améliorer le production du froid.

L’utilisation des atmosphères artificielles permet d’augmenter la durée de conservation de certains fruits et légumes, de même l’utilisation d’adjuvants permet de renforcer l’action du froid mais leur utilisation doit être conforme à la législation nationale relative à la protection des aliments.

Dans les pays chauds et humides, une température de l’ordre de +10°C permet une bonne conservation du poisson fumé, du lait concentré ou en poudre, des conserves de viandes…ce qui montre une bonne complémentarité entre le froid et les autres techniques de conservations (séchage…).

Il faut retenir que l’alimentation d’une population mondiale sans cesse croissante exige que des efforts réalisés pour accroître les productions alimentaires soient accompagnés d’initiatives destinées à réduire sinon à éliminer les pertes qui autrement resteraient considérables à toutes les étapes de la distribution et de la transformation des aliments.

Dans le contexte des pays africains en voie de développement, ces initiatives de conservation des aliments doivent couvrir un vaste champ de techniques (abaissement de l’activité de l’eau, traitements thermiques à haute température, traitement thermique à basse température, abaissement du pH, utilisation d’additifs alimentaires, préparation stockage condition des aliments, séparation ou fractionnement).

Modes de transfert de chaleur

La chaleur se propage spontanément des corps les plus chauds vers les corps les moins chauds. Ce type d'échange naturel n'est pas le seul
mode de transfert de la chaleur. Il existe également les échanges de chaleur entretenus ou forcés, c'est le cas, par exemple, de la pompe d'une installation de chauffage central.

Modes de transfert de chaleur:

Pour tous les types de transfert, on distingue trois modes de propagation, qui sont la conduction, la convection puis le rayonnement.

Conduction :

C’est le transfert de chaleur concerne, essentiellement que les solides et correspond a la mise en contacte de 2 corps à T° réglé. Ce mode de transfert se fait sans transfert de matière.

Convection : correspond essentiellement au transfert de chaleur à l’intérieur d’un fluide (liquide et gaz) a partir d’un solide c.à.d. le transfert entre un solide et un fluide et on a deux types de convection libre et forcée.

Rayonnement : c’est un transfert de chaleur électromagnétique entre deux surface (même dans le vide) en effet tous les corps mettant par leur surface de l’énergie sous forme de radiation électromagnétique, c’est le cas du chauffage par une source portée a une température lumineuse (résistance de four électrique, flammes lumineuses, lampes), chauffage de la terre par soleil.

Quelque définitions :

Régime stationnaire ou permanent : en tout point du système les T° est les flux thermique ne dépend pas du temps

 (d/dt ) = 0 , (dT/dt) = 0

Champ de temperature :

En chaque point d’un milieu la T° est définie par T°= f(x, y, z, t). le champ de T° peut être bidimensionnel T°=f(x, y ,t) , monodimensionnel T°=f(x, t) .

Surface isothermique :

C’est le lieu des points ayant échange à chaque instant la même temperature.

Flux de chaleur ou flux thermique :

 La chaleur échangée par unité du temps .

Le flux s'exprime en :watt : W (SI) ; calorie par seconde : kcal.s^-1 (unité utilisée par les thermiciens).

On appelle densité de flux de chaleur, la chaleur échangé par unité de temps et unité de surface.

 

C'est quoi la Mécanique DesFluides

La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides c'est-à-dire des liquides et des gaz lorsque ceux-ci subissent des forces ou des contraintes. Elle est actuellement étendue à des écoulements solides tels les glaciers ou le manteau terrestre.

Le mouvement des liquides et des gaz est régi par les mêmes équations : les équations de Navier-Stokes mais avec la différence que l'on considère en général les liquides comme étant incompressibles et les gaz compressibles.

La mécanique des fluides se compose de deux grandes sous-branches:

1.       la statique des fluides, ou hydrostatique qui étudie les fluides au repos. C'est historiquement le début de la mécanique des fluides, avec la poussée d'Archimède, l'étude de la pression

2.       la dynamique des fluides qui étudie les fluides en mouvement. Les fluides peuvent aussi se classer en deux familles relativement à leur viscosité, une de leur caractéristique physico-chimique.

La famille des fluides "newtoniens" (comme l'eau, l'air et la plupart des gaz) et celle des fluides "non newtoniens" (quasiment tout le reste... le sang, les gels, les boues, les pâtes, les suspensions, les émulsions...).

Les fluides "newtoniens" ont une viscosité constante ou qui ne peut varier qu'en fonction de la température. Les fluides "non newtoniens" ont, en plus, la particularité d'avoir leur viscosité qui varie en fonction de la vitesse et des contraintes qu'ils subissent lorsque ceux-ci s'écoulent.

La rhéologie est la science qui traite des fluides "non newtoniens". Comme autres branches de la mécanique des fluides on distingue : l'hydraulique, l'hydrodynamique, l'aérodynamique, l'étude des écoulements polyphasiques, l'électro-fluidodynamique, la biomécanique, la microfluidique... Une nouvelle approche a vu le jour depuis quelques décennies : la mécanique des fluides numérique (CFD ou Computational Fluid Dynamics en anglais), qui simule l'écoulement des fluides en résolvant les équations qui les régissent à l'aide d'ordinateurs très puissants : les super-calculateurs.

La mécanique des fluides a de nombreuses applications dans divers domaines comme l'ingénierie navale, l'aéronautique, l'étude de l'écoulement du sang (hémodynamique), mais aussi la météorologie, la climatologie ou encore l'océanographie.

La thermométrie

1) La température : est le degré de sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de chaleur entre le corps humain et son environnement. C’est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie (principe zéros).

En physique, elle se définit de plusieurs manières :

1)    Comme fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules ( en théorie cinétique des gaz)

2)    Par l'équilibre des transferts thermiques entre plusieurs systèmes ou à partir de l'entropie (en thermodynamique et en physique statistique). 

2) Thermomètre : est un appareil qui sert à mesurer et à afficher les valeurs des températures. 

2.1) Grandeur thermométrique : Une grandeur thermométrique est une grandeur physique (longueur, volume, résistance électrique, ...) qui dépend de la température : G = f(T).

 2.2) Échelle thermométrique : Les échelles thermométriques couramment utilisées sont des échelles linéaires :

        a) l'échelle centésimale : glace fondante à 0ºC et eau bouillante à 100ºC (sous pression atmosphérique normale) et intervalle entre glace fondante et eau bouillante divisé en 100 intervalles égaux : le degré Celsius (ºC).

        b) l'échelle absolue : la température T associée au point triple de l'eau est de 273,16 K ; l'unité associée, le Kelvin (K).

    3) types des thermomètres: 

Thermomètres à dilatation: 

 

    La dilatation des corps se fait en fonction de l’augmentation de volume en générale, lorsque sa température s'élève. Il y a  trois types de thermomètres à dilatation sont :

1.Thermomètres à dilatation de liquide : Il est constitué d'un réservoir surmonté d'un capillaire de section faible et régulière (D= 0,2\ mm). se terminant par une ampoule de sécurité. il est est réalisé en verre. Sous l'effet des variations de température, le liquide se dilate plus ou moins.

La loi de variation du volume du liquide en fonction de la température est :

V=V₀ (1+αθ)

Avec :

Vo : volume du liquide à 0 °C ;

V : volume de liquide à θ°C ;

α: coefficient de dilatation du liquide en °C^-1.

θ: température en °C

2. Thermomètres à dilatation de gaz ( tube de bourdon) :

Un thermomètre à gaz est composé d'une sonde (A), formant une enveloppe dans laquelle est enfermé le gaz thermométrique. Cette sonde est reliée par un tube capillaire de raccordement à l'extrémité (B) d'un tube de Bourdon. Cette extrémité est fixe. La longueur du tube de raccordement ne doit pas excéder 100 mètres. Sous l'effet de la température du milieu dans lequel la sonde est placée, la pression du gaz va varier, ce qui modifiera l'équilibre de l'extrémité libre du tube de Bourdon. Cette variation de pression se traduira par un mouvement de rotation de l'index indicateur qui se déplacera devant un cadran portant des graduations thermométriques.

3. Thermomètres à dilatation de solide :

Lorsqu'une tige métallique est portée à la température θ sa longueur varie. La relation entre sa longueur L et θ est :

l=l0 (1+αθ)

avec :

L la longueur de la tige à la température θ;

Lo la longueur de la tige à 0 °C ;

θ la température en °C ;

α le coefficient de dilatation linéaire du métal.

Bilame :

Un bilame thermique est constitué de deux bandes d'alliage dont les coefficients de dilatation sont très différents, soudées à plat sur toute leur surface (fig. bilame). Lorsqu'une telle bande est soumise à une variation de température, les dilatations différentes des deux faces provoquent des tensions, il en résulte une incurvation de l'ensemble.

4. Thermomètres électriques :

Ce sont des capteurs électriques  ils sont utilisés dans les industries et beaucoup plus des les laboratoires.

On décompose les capteurs de température en deux sous catégorie :

Les capteurs passifs, à résistance ou thermistance.

Les capteurs actifs, à couple thermoélectrique.

Le fonctionnement des thermomètres à résistance et thermistances est basé sur le, l'influence de la température sur la résistance électrique d'un conducteur. La mesure d'une température est donc ramenée à la mesure d'une résistance. 

4.  Thermomètres à résistance :

Le conducteur est un élément métallique. On peut établir une relation entre la résistance R et la température θ et ainsi mesurer θ en mesurant R.

Cette relation est de la forme :

R=R0(1+aθ+bθ2+cθ3)

Avec θ la température en °C, R_o la résistance à 0 °C, a, b et c des coefficients positifs, spécifiques au métal.

C'est le platine qui est les matériaux le plus utilisé.

5. Thermomètres à thermistance :  La loi de variation est de la forme :

R=a x esp(b/θ)

6. Thermocouples:

Les phénomènes thermoélectriques dans les chaînes de conducteurs métalliques ou semi

conducteurs décrivent les conversions d'énergie ( effet Joule) mis à part, entre énergie 

d'agitation thermique et énergie électrique des charges en mouvement.

7. Les pyromètres optiques:

La pyrométrie optique est une méthode de mesure de la température basée sur la relation entre la température d'un corps et le rayonnement optique (infrarouge ou visible) que ce corps émet. Les capteurs utilisés sont donc des capteurs optiques, photo-électriques ou thermiques. L'intérêt de la pyrométrie optique est de permettre la détermination d'une température sans contact avec l'objet.