Chapitre 4 Flashcards
processus d’échange de chaleur et de matière
- échanges vapeur d’Eau et CO2 entre végétation et atmosphère
Deux catégories
1. niveau moléculaire = sans mouvement de masse du milieu (molécules suivent gradient)
2. turbulent = matière ou chaleur est transportée par le mouvement de masse (déplacement du fluide qui est l’air)
chaleur
- forme de l’énergie échangée entre un système et son environnement quand il y a une différence de T entre les 2
- forme d’énergie perceptible par la T qu’elle confère à un corps
Flux = (Textérieure – Tintérieure) / résistance
- transfert de chaleur est amené par un gradient d’énergie
- transfert de matière est amené par un gradient de concentration
gradient = différence / distance
diffusion moléculaire
- déplacement net de molécules par diffusion d’une région concentrée à une région diluée
- similaire au flux de chaleur (chaud vers froid) -> les 2 processus dépendent du mouvement thermique aléatoire des molécules
vitesse du processus de diffusion des gaz
2e loi de Fick
- décrit comment la concentration d’une substance qui diffuse change avec le temps et la distance
x = (4 D t)^0,5
où
x = distance (m)
D = coefficient de diffusion (m2 s–1)
t = temps (s)
*diffusion du CO2 est 10 000 fois plus vite dans l’air que dans l’eau
processus de transport moléculaire
Flux de chaleur sensible (H) = ρ ch (Ts – Ta) / rH
Flux de vapeur d’eau (E) = (ρvs – ρva) / rv
Ts = température de la surface;
Ta = température de l’air;
ρ = densité de l’air (kg m–3)
ch = chaleur massique de l’air (J kg–1 K–1)
rH = résistance au transfert de chaleur sensible (s m–1)
ρvs = densité de vapeur d’eau à saturation (kg m–3)
ρva = densité de vapeur d’eau ambiante (kg m–3)
rv = résistance au transfert de vapeur d’eau (s m–1)
processus de transport moléculaire
Flux de chaleur sensible (H) = ρ ch (Ts – Ta) / rH
Flux de vapeur d’eau (E) = (ρvs – ρva) / rv
Ts = température de la surface;
Ta = température de l’air;
ρ = densité de l’air (kg m–3)
ch = chaleur massique de l’air (J kg–1 K–1)
rH = résistance au transfert de chaleur sensible (s m–1)
ρvs = densité de vapeur d’eau à saturation (kg m–3)
ρva = densité de vapeur d’eau ambiante (kg m–3)
rv = résistance au transfert de vapeur d’eau (s m–1)
conductance stomatique
- conductance est la réciproque de la résistance
Flux = conductance * différence = g * (X2 – X1)
Flux = différence / résistance = (X2 – X1) / r
Densité de flux = D * (X2 – X1) / (z2 – z1)
*X2 - X1 = gradient de la concentration de vapeur d’Eau
VOIR EXEMPLE DE CALCUL DU FLUX DE TRANSPIRATION
!!!
flux de vapeur d’eau (E)
(E) = gv * (ρvs – ρva)
du bilan radiatif au bilan énergétique
Rn est réparti en:
– flux de chaleur dans le sol (par conduction)
– flux de chaleur sensible (réchauffement de l’air)
– flux de chaleur latente (évaporation de l’eau)
– énergie « métabolique » (photosynthèse)
– variation du stock de chaleur (sol ou couvert)
bilan énergétique
- si gains > pertes = la T de la feuille augmentera
Rn + LE + H + G + M = 0 (à l’équilibre thermique)
Rn = LE + H + G (à l’équilibre thermique)
Rn – (+ ou – LE) – (+ ou – H) – (+ ou – G) = ΔS (si variation du stock de chaleur)
Rn = rayonnement net
LE = flux de chaleur latente
H = flux de chaleur sensible
G = flux de chaleur dans le sol
M = énergie chimique
- LE, H et G peuvent être décrits comme un flux = différence (T° ou H2O)/résistance
- LE, H et G sont des moyens de dissipation de l’énergie
- G (transfert de chaleur par conduction) est généralement négligeable chez les plantes
- M est aussi négligeable (< 5%)
signes des composantes du bilan énergétique
- H, LE et G sont positifs si c’est une perte et négatifs si c’est un gain (car dissipation énergie)
- inverse pour Rn et M
VOIR EXEMPLE DE BILAN ÉNERGÉTIQUE
!!!
relation climat-espace
flux de chaleur latente (LE) = pertes par respiration/transpiration
Flux chaleur sensible (pertes car animal réchauffe l’air)
conduction (G) = pertes car pattes au sol
échanges thermiques
- s’Effectuent par rayonnement, conduction ou convection
CONDUCTION (G)
- transfert d’énergie (chaleur) selon un gradient thermique d’une région de T plus élevée vers l’une avec T plus basse
- SANS déplacement de matière
-> Solides : passage de la chaleur par collisions moléculaires internes transférant l’énergie cinétique
-> Fluides : diffusion des molécules ayant une énergie plus élevée
CONVECTION (H)
- transport de l’énergie thermique par un fluide en
mouvement
- il y a donc transfert de matière (de masse) à l’état fluide
CONDUCTION
- transfert de chaleur par interaction moléculaire directe
entre 2 substances qui sont en contact l’une avec l’autre - le flux de chaleur est proportionnel à la différence de
température entre les 2 substances - transferts de chaleur par conduction ont surtout lieu: dans le sol, à travers les parois (feuilles, tiges, fruits, abri, etc.)
calcul du flux de chaleur
Φh = – kh (dT°/dx)
où
kh est la conductivité thermique (W m–1 K–1)
(dT/dx) est le gradient de température (K m–1)
*(dT/dx) : plus le gradient de T° est élevé, plus le flux de chaleur est important
*pour un même gradient de T°, le flux de chaleur sera plus ou moinsgrand selon la kh du matériau
*le signe négatif (–) indique que le flux est dirigé dans le sens
opposé au gradient thermique
propriétés thermiques des matériaux et tissus
CONDUCTIVITÉ THERMIQUE
- coefficient caractérisant l’aptitude d’un matériau à transmettre la chaleur par conduction
- quantité de chaleur (J) qui est transmise à travers une unité de surface (m2) d’un matériau d’épaisseur unitaire (m) par unité de différence de T entre les 2 faces (K) et par unité de temps (s)
CAPACITÉ THERMIQUE MASSIQUE
- correspond à l’apport de chaleur nécessaire pour élever de 1k la T d’une unité de masse d’une substance
- aussi appelée chaleur massique/spécifique
VOIR EXEMPLE DE CALCUL DU FLUX DE CHALEUR
!!!
transfert par convection et turbulence
- transfert par diffusion
- dus aux collisions thermiques aléatoires des molécules
- mécanisme principal dans les fluides immobiles comme l’air dans les cavités sous-stomatiques des feuilles - mouvement turbulent
- accélère les transferts de chaleur/matière car mouvement d’air au-dessus d’une surface
- parcelles d’air transportent l’énergie et la matière
CONVECTION
- mouvement de masse à l’intérieur d’un fluide amenant un transfert et un mélange d’énergie et de matière
- généralement associée au mouvement vertical dans l’atmosphère
- perte ou gain de chaleur associée à l’écoulement d’un fluide (air) au-dessus d’une surface (feuille, culture)
- gradient = la différence de T° entre la surface et l’air
- le flux de chaleur est proportionnel à la différence de T°
- Si T°surface > T°air, il y a perte de densité de flux de chaleur
- Gain de densité de flux de chaleur = la surface gagne de la chaleur à partir de l’air -> ceci est appelé advection (mouvement horizontal)
3 types de convection
CONVECTION LIBRE (NATURELLE)
- transfert de chaleur résultant du mouvement naturel d’un fluide généré par une différence de T ou de densité
- air près de la surface se réchauffe (Ts > Ta) devient moi dense, puis s’élève
- stratification d’air
CONVECTION FORCÉE (MÉCANIQUE)
- mouvement du fluide provoqué par un champ de force extérieur
- gradient de pression externe produisant le vent -> domine les transferts dans l’atmosphère
- ex: ventilateur
CONVECTION MIXTE
- libre + forcée
en serre : aucun vent donc transfert turbulent de la chaleur et vapeur d’eau est dominé par la convection libre
cultures abritées et nécessité de convection forcée
si insuffisante de ventilation dans une serre on observe :
– présence d’un gradient de température = une stratification de l’air à l’intérieur de la serre, laquelle aura un effet sur le métabolisme des plantes, l’humidité relative…
– présence d’un gradient d’humidité = peut provoquer de la
condensation à la surface des feuilles = plus grand risque de maladies
– stagnation de l’air autour des feuilles = peut entraîner une
diminution de la concentration en CO2 près des feuilles = diminution de la photosynthèse.
couche limite
- fluide passant au-dessus d’une surface
- sa vitesse d’écoulement diminue vers la surface à cause de la friction entre la surface et le fluide ET des forces de viscosité à l’intérieur du fluide
- forces de viscosité = résistance à la déformation
- CL = zone près de la surface où la vitesse moyenne du vent (U) est moindre que la vitesse du vent ambiant (Uo)
- CL = zone où l’écoulement du fluide est perturbé par la surface (influence de la rugosité de la surface)
- DANS la CL -> U est 0 à la surface, puis augmente de façon log avec la hauteur jusqu’à atteindre Uo à la frontière de la CL
- Épaisseur de la couche limite (δ) -> souvent définie comme étant la ligne de courant où la vitesse atteint 99 % de Uo (vent libre)
- poils et nervures influencent la CL
- CL plus épaisse = nuit au transfert de chaleur
- épaisseur CL influence la distribution de la T à la surface des feuilles
développement de la couche limite le long d’une surface
*différentes couchent ne se mélangent pas
- épaisseur de la couche limite laminaire augmente à partir de la bordure de la surface
- conditions de vitesse, distance et viscosité dépassent un certain seuil
- flot d’air forme des remous (tourbillons) = couche limite turbulente
- ÉCOULEMENT LAMINAIRE -> mouvement du fluide parallèle à la surface = couches de fluide glissent les unes sur les autres sans se mélanger
- ÉCOULEMENT TURBULENT -> le mouvement des molécules individuelles à l’intérieur du fluide est désordonné = couches du fluide s’entremêlent
- une sous-couche laminaire reste présente près de la surface -> son épaisseur dépend de la rugosité de la surface et de la vitesse du vent
*aucune convection dans la couche laminaire -> transféras de chaleur est de matière se font par diffusion moléculaire
diffusion moléculaire
- principal mécanisme de transfert de masse (vapeur d’eau, CO2…) et de chaleur dans les fluides immobiles
- dans l’atmosphère -> mouvement d’air au-dessus d’une surface peut accélérer ces transferts par 2 processus
1er PROCESSUS
juste pour les objects/surfaces isolés
- mouvement d’air remplace continuellement l’air près de la surface par de l’air « inchangé »
- air inchangé = quantités de chaleur et de vapeur d’eau fixes
- air « non-modifié » = fort gradient de concentration pour la diffusion = amène un meilleur transport (plus rapide) que si l’air était calme
- air calme = flux de chaleur moins efficace quand la plante a le temps de modifier les propriétés de l’air
1er PROCESSUS
pour grandes surfaces non isolées
- grande surface homogène = équilibre est atteint
- équilibre = l’air près de la surface a déjà été modifié par le passage au-dessus de la même surface juste avant
- gradient de concentration est le même que si l’air est calme..
2e PROCESSUS
- turbulence dans le flux d’air peut augmenter les transferts de masse et de chaleur
- masse et chaleur sont directement transportées par les courants d’air
Fetch
épaisseur de la CL turbulente est reliée au fetch (distance) à travers une surface rugueuse uniforme qui génère de la turbulence par cisaillement
variation verticale du flux de chaleur
- coefficients D sont petits = offrent une barrière importante aux transferts entre la surface et l’atmosphère
- K (coeff. de transfert turbulent) est beaucoup plus grand que D = transfert de masse par turbulence est donc plus rapide que par diffusion à cause des remous
- K varie avec la taille des tourbillons et augmente avec la hauteur
- La valeur de K peut ainsi passer de 10–5 m2 s–1 près des feuilles (où les remous sont petits) à ~0,1 m2 s–1 à la surface du couvert végétal, atteignant même 100 m2 s–1 à une certaine distance au-dessus du couvert.
écoulement laminaire ou turbulent dans la CL ?
- Dépend de l’équilibre entre les forces d’inertie dans le fluide (sa vitesse) et les forces de viscosité qui tendent à produire une certaine stabilité et un écoulement laminaire
- Nombre de Reynolds permet de déterminer si le flot est laminaire ou turbulent :
Re = ud / ν
où
u = vitesse du vent (m s–1)
d = dimension de l’objet (m)
ν = viscosité cinématique (i.e. viscosité / ρ)
(1,51 x 10–5 m2 s–1 pour air sec à 20°C) = résistance du fluide au mouvement
*équation représente le ratio des forces d’inertie (momentum) et des forces de viscosité (friction)
*si Re > 10 000 → le flot est turbulent -> valeur critique de Re ~400–3000 pour les feuilles (veines, poils).
CL à la surface d’une feuille
- Mince couche d’air à la surface des feuilles.
- Toute molécule de gaz entrant ou quittant la feuille doit traverser la couche limite (diffusion) -> La chaleur aussi
- Résistance de la couche limite (rcl) s’ajoute à la résistance stomatique (rs).
- Résistance de la couche limite (rcl) dépend principalement de la vitesse du vent et de la dimension des feuilles (aussi de la forme, de la pubescence et de la surface).
- Couche limite équivalente (δcl) → une épaisseur moyenne de
la couche d’air (non-mélangée) près de la surface de la feuille.
épaisseur de la CL
Pour une surface plate :
δcl (mm) = 4 (l/u)^0,5
où
l = longueur moyenne (m) de la surface dans la direction du vent
u = vitesse du vent (valeurs typiques 0,1 à 10 m s–1)
le facteur 4 a les unités suivantes : mm s–0,5
*CL plus épaisse si air est calme = stomates ont aucun contrôle sur la transpiration
*plus de vent = CL plus mince
*plus grande feuille = CL plus épaisse
mesure des échanges gazeux chez les feuillus
- doit tenir compte de la résistance de la CL (rcl)
- sinon la transpiration/photosynthèse peuvent être surestimés
Donc:
E = (ρvs – ρva) / (rs + rcl)
que permet de calculer le Nombre de Reynolds (Re)?
permet de calculer, à différentes vitesses du vent:
- l’épaisseur de la couche limite où l’écoulement est laminaire
- la hauteur au-dessus de la surface où débute l’écoulement turbulent
- la distance à partir de la bordure que l’air doit parcourir avant que ne se développe la turbulence
Conduction/convection de chaleur et couche limite
- La chaleur est d’abord transférée par conduction dans la
couche limite, puis par convection par le courant d’air turbulent - Flot de chaleur par conduction (pour une feuille) :
Φh = –2 kh,air (T°feuille – T°air)
où
*Φh est la quantité de chaleur transportée par conduction à travers les couches limites (W m–2)
*kh,air = conductivité thermique de l’air (0,0257 W m–1°C–1)
*Tfeuille est la température de la feuille (°C)
*Tair est la T° de l’air turbulent à l’extérieurde la couche limite
*2 = flux de chaleur total de la feuille (2 côtés).
échange de chaleur par conduction/convection
- Pour décrire le transfert de chaleur par convection dans l’air (pertes) nous utiliserons plutôt l’équation générale pour le flux de chaleur sensible
H = ρ ch (Ts – Ta) / rH
VOIR EXEMPLE DE CALCUL DE CONDUCTION/CONVECTION DE CHALEUR
!!!
relation flux de chaleur et autres paramètres
- Plus la vitesse du vent augmente = plus le flux de chaleur est élevé
- Plus la différence de T° est grande = plus le flux de chaleur est élevé
- Plus la distance parcourue sur la surface (par l’écoulement d’air) est grande = moins de flux de chaleur
transfert convectif et dimension caractéristique
- Une dimension plus petite d’une surface dans la direction du vent amène un plus grand transfert de chaleur
ex: 10 feuilles de 1cm ont un plus grand transfert total de chaleur que 2 feuilles de 5cm
température, CL et thermorégulation
- Dans une maison où le mouvement d’air est faible -> la chaleur produite par le métabolisme d’un humain est dissipée
par Rnet (60%), par convection (H) de chaleur sensible (15%) et par évaporation (LE) à partir des poumons et de la peau (25%) - une vitesse du vent plus grande amènera des pertes plus
élevées via H et LE et moindres par Rn - Les humains perçoivent la température de l’air grâce à la température ressentie par la peau
température: mesure de la quantité de chaleur
- mesure de la disponibilité énergétique (É cinétique
moyenne de translation) des molécules d’une substance - grandeur caractéristique de l’état d’un corps plus ou moins chaud.
instruments de mesure de la T
- Thermomètre bimétallique
-> 2 bandes de métal différent ayant des coeff. de dilatation différents
-> ponctuel - Thermomètre au mercure
-> dilatation thermique dans un capillaire (tube de verre)
-> ponctuel - Thermomètre à résistance (R)
-> les métaux changent de R électrique avec la température - Thermistor
-> semi-conducteur au lieu d’un métal
-> sensibilité > PRT
-> plus cher que des thermocouples
-> possibilité de lecture automatisée. - Thermocouple (TC)
-> jonction de 2 métaux différents où un courant circule entre les deux bouts du circuit lorsque ceux-ci sont à une T° différente. - Thermomètre infrarouge
-> T° de la surface
-> aucun contact avec l’objet
-> intègre la T° sur une plus grande surface;
