Comment un ventilateur arrive-t-il à refroidir ?

Plan de l'article :

L’air, un fluide à faible inertie thermique
Le rôle du ventilateur
Idées reçues erronées
Équation du transfert thermique par convection
Capacité d’un objet chaud à réchauffer l'air environnement

Le refroidissement est un enjeu clé dans le fonctionnement d’un moteur thermique dont la majorité de l'énergie est convertie en chaleur (60 à 70% contrairement à un électrique qui se limite à 10%), et comme vous le savez le ventilateur joue un rôle central dans la dissipation de cette dernière. Mais comment un simple flux d’air permet-il de réduire efficacement la température d’un élément, et en l'occurrence ici un radiateur ? Pour comprendre ce phénomène, il faut s’intéresser aux transferts thermiques entre un objet chaud et son environnement. Voici donc le principe physique qui explique comment un flux d'air permet de refroidir un élément chaud.

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L’air, un fluide à faible inertie thermique

Lorsqu’un objet chaud est en contact avec un gaz, ici l’atmosphère, il chauffe rapidement cet air environnant. Cela s’explique par la faible inertie thermique du gaz, qui se traduit par une capacité à accumuler rapidement de la chaleur. L’air qui entre en contact avec la surface chaude se réchauffe rapidement et forme une couche isolante autour de l’objet, une sorte de "peau" de chaleur. Cette couche d’air, dont l’épaisseur est de l’ordre de quelques millimètres, constitue une sorte de couverture inerte qui ralentit l’échange de chaleur avec l’air ambiant plus loin et plus frais. Par exemple, un objet à 50°C dans un environnement à 20°C se retrouve rapidement entouré d’une couche d’air pouvant facilement atteindre 35°C, limitant ainsi son refroidissement.

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Le rôle du ventilateur

Le ventilateur permet avant tout de chasser l’air réchauffé qui entoure l’objet chaud, ici le radiateur. En remplaçant cet air chauffé par un d’air plus frais c'est comme si on retirait "la couverture" du radiateur, ce qui accélère les échanges thermiques et améliore l’efficacité du refroidissement. Résultat, si on reprend notre exemple à 50 degrés, la couche d'air autour de l'objet n'est plus de 35 degrés mais d'à peine plus de 20 degrés. Plus la vitesse du flux d’air est importante, plus le renouvellement est rapide, et plus le radiateur peut dissiper efficacement la chaleur.

Idées reçues erronées

N'avez-vous jamais entendu parler de personnes qui expliquent que pour refroidir une pièce il faut pointer le ventilateur vers l'extérieur ? Cela afin de chasser l'air chaud vers dehors ? En réalité cette idée est complètement biaisée et mauvaise, bien que cela pourra être pertinent dans le cas où on vient de rentrer dans une pièce brulante qui avait accumulé beaucoup de chaleur (chasser cet air chaud dans un premier temps n'est en effet pas trop bête). Pour refroidir au mieux, il faut idéalement un ventilateur par personne qui souffle sur chacune d'entre elle, exactement comme un ventilateur qui souffle sur un radiateur. L'objectif est de chasser la couverture de chaleur qui vous entoure.

Équation du transfert thermique par convection

Le refroidissement par le flux d’air s’explique par le transfert thermique par convection, qui suit la loi de Newton sur le refroidissement :

Q = h · A · (T_s - T∞)

Q est la quantité de chaleur transférée par unité de temps (W),
h est le coefficient de convection (W/m²·K),
A est la surface d’échange thermique (m²),
Ts est la température de la surface chaude (K),
T∞ est la température de l’air ambiant (K).

Capacité d’un objet chaud à réchauffer l'air environnement

Lorsqu’un objet chaud est placé dans un fluide (gaz ou liquide), il transfère progressivement sa chaleur au fluide environnant. Ce processus est régi par l’équation de la capacité thermique, qui exprime la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’un volume donné de fluide :

Q = m · c_p · ΔT