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Bioclimatologie > Chapitre 4 > Flashcards

Chapitre 4 Flashcards

1
Q

processus d’échange de chaleur et de matière

A
  • 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)

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Q

chaleur

A
  • 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

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3
Q

diffusion moléculaire

A
  • 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
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4
Q

vitesse du processus de diffusion des gaz

A

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

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5
Q

processus de transport moléculaire

A

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)

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6
Q

processus de transport moléculaire

A

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)

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7
Q

conductance stomatique

A
  • 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

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8
Q

VOIR EXEMPLE DE CALCUL DU FLUX DE TRANSPIRATION

A

!!!

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9
Q

flux de vapeur d’eau (E)

A

(E) = gv * (ρvs – ρva)

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10
Q

du bilan radiatif au bilan énergétique

A

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)

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11
Q

bilan énergétique

A
  • 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%)
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12
Q

signes des composantes du bilan énergétique

A
  • 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
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13
Q

VOIR EXEMPLE DE BILAN ÉNERGÉTIQUE

A

!!!

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14
Q

relation climat-espace

A

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

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15
Q

échanges thermiques

A
  • 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

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16
Q

CONDUCTION

A
  • 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.)
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17
Q

calcul du flux de chaleur

A

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

18
Q

propriétés thermiques des matériaux et tissus

A

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

19
Q

VOIR EXEMPLE DE CALCUL DU FLUX DE CHALEUR

A

!!!

20
Q

transfert par convection et turbulence

A
  1. 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
  2. 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
21
Q

CONVECTION

A
  • 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)
22
Q

3 types de convection

A

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

23
Q

cultures abritées et nécessité de convection forcée

A

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.

24
Q

couche limite

A
  • 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
25
Q

développement de la couche limite le long d’une surface

A

*différentes couchent ne se mélangent pas

  1. épaisseur de la couche limite laminaire augmente à partir de la bordure de la surface
  2. conditions de vitesse, distance et viscosité dépassent un certain seuil
  3. flot d’air forme des remous (tourbillons) = couche limite turbulente
  4. ÉCOULEMENT LAMINAIRE -> mouvement du fluide parallèle à la surface = couches de fluide glissent les unes sur les autres sans se mélanger
  5. ÉCOULEMENT TURBULENT -> le mouvement des molécules individuelles à l’intérieur du fluide est désordonné = couches du fluide s’entremêlent
  6. 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

26
Q

diffusion moléculaire

A
  • 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

27
Q

Fetch

A

épaisseur de la CL turbulente est reliée au fetch (distance) à travers une surface rugueuse uniforme qui génère de la turbulence par cisaillement

28
Q

variation verticale du flux de chaleur

A
  • 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.
29
Q

écoulement laminaire ou turbulent dans la CL ?

A
  • 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).

30
Q

CL à la surface d’une feuille

A
  • 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.
31
Q

épaisseur de la CL

A

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

32
Q

mesure des échanges gazeux chez les feuillus

A
  • doit tenir compte de la résistance de la CL (rcl)
  • sinon la transpiration/photosynthèse peuvent être surestimés

Donc:

E = (ρvs – ρva) / (rs + rcl)

33
Q

que permet de calculer le Nombre de Reynolds (Re)?

A

permet de calculer, à différentes vitesses du vent:

  1. l’épaisseur de la couche limite où l’écoulement est laminaire
  2. la hauteur au-dessus de la surface où débute l’écoulement turbulent
  3. la distance à partir de la bordure que l’air doit parcourir avant que ne se développe la turbulence
34
Q

Conduction/convection de chaleur et couche limite

A
  • 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).

35
Q

échange de chaleur par conduction/convection

A
  • 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

36
Q

VOIR EXEMPLE DE CALCUL DE CONDUCTION/CONVECTION DE CHALEUR

A

!!!

37
Q

relation flux de chaleur et autres paramètres

A
  1. Plus la vitesse du vent augmente = plus le flux de chaleur est élevé
  2. Plus la différence de T° est grande = plus le flux de chaleur est élevé
  3. Plus la distance parcourue sur la surface (par l’écoulement d’air) est grande = moins de flux de chaleur
38
Q

transfert convectif et dimension caractéristique

A
  • 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

39
Q

température, CL et thermorégulation

A
  • 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
40
Q

température: mesure de la quantité de chaleur

A
  • 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.
41
Q

instruments de mesure de la T

A
  1. Thermomètre bimétallique
    -> 2 bandes de métal différent ayant des coeff. de dilatation différents
    -> ponctuel
  2. Thermomètre au mercure
    -> dilatation thermique dans un capillaire (tube de verre)
    -> ponctuel
  3. Thermomètre à résistance (R)
    -> les métaux changent de R électrique avec la température
  4. Thermistor
    -> semi-conducteur au lieu d’un métal
    -> sensibilité > PRT
    -> plus cher que des thermocouples
    -> possibilité de lecture automatisée.
  5. 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.
  6. Thermomètre infrarouge
    -> T° de la surface
    -> aucun contact avec l’objet
    -> intègre la T° sur une plus grande surface;

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