Figure 1. Une machine à vapeur utilise le transfert de chaleur pour effectuer un travail. Des touristes empruntent régulièrement ce train à vapeur à voie étroite près de la San Juan Skyway à Durango, Colorado, qui fait partie du programme National Scenic Byways. (crédit : Dennis Adams)
Le transfert de chaleur est une énergie en transit, et elle peut être utilisée pour effectuer un travail. Elle peut également être convertie en toute autre forme d’énergie. Un moteur de voiture, par exemple, brûle du carburant pour transférer la chaleur dans un gaz. Le gaz effectue un travail en exerçant une force sur une certaine distance, convertissant son énergie en diverses autres formes : en énergie cinétique ou gravitationnelle potentielle de la voiture, en énergie électrique pour faire fonctionner les bougies, la radio et les phares, et en énergie stockée dans la batterie de la voiture. Mais la majeure partie du transfert de chaleur produit par la combustion du carburant dans le moteur ne travaille pas sur l’essence. Au contraire, l’énergie est libérée dans l’environnement, ce qui implique que le moteur est assez inefficace.
On dit souvent que les moteurs à essence modernes ne peuvent pas être rendus significativement plus efficaces. On entend la même chose à propos du transfert de chaleur vers l’énergie électrique dans les grandes centrales électriques, qu’elles fonctionnent au charbon, au pétrole, au gaz naturel ou au nucléaire. Pourquoi en est-il ainsi ? L’inefficacité est-elle due à des problèmes de conception qui pourraient être résolus par une meilleure ingénierie et des matériaux supérieurs ? Cela fait-il partie d’une conspiration lucrative de la part de ceux qui vendent de l’énergie ? En fait, la vérité est plus intéressante, et révèle beaucoup de choses sur la nature du transfert de chaleur.
Les lois physiques de base régissent la façon dont le transfert de chaleur pour faire du travail a lieu et placent des limites insurmontables sur son efficacité. Ce chapitre va explorer ces lois ainsi que de nombreuses applications et concepts qui leur sont associés. Ces sujets font partie de la thermodynamique – l’étude du transfert de chaleur et de sa relation avec la réalisation d’un travail.