Particularités de la chaleur
Aperçus généraux sur le chauffage
L'une des fonctions de la construction est de protéger l'homme contre les éléments dangereux ou simplement incommodes de l'atmosphère ambiante. En somme, nous nous construisons des habitations pour nous défendre des intempéries qui nous assaillent de différentes manières, selon les saisons.
Dans les pays tropicaux, c'est de la chaleur qu'il faut se protéger ; pour nous, c'est surtout du froid.
Qu'il s'agisse de combattre le chaud ou le froid, il n'y a qu'un seul moyen: c'est de s'abriter par une construction assez isolante pour supprimer autant que possible les surfaces de réchauffement ou de refroidissement.
Il ne suffît pas seulement de s'abriter contre le chaud ou le froid de l'extérieur: il faut veiller en outre à ne pas entraver la pénétration de la lumière du jour à l'intérieur de nos résidences. Cette lumière est une nécessité vitale.
Abondante dans les pays chauds, plus rare et plus faible durant nos hivers canadiens, elle exige pour nos habitations des fenêtres plus grandes, dont les surfaces de refroidissement plus considérables constituent un inconvénient pour le chauffage.
On peut se défendre du froid à l'intérieur par le chauffage, mais encore faut-il le faire de la manière la plus avantageuse et la plus économique. La nécessité et l'intensité du chauffage dépendent jusqu'à un certain point du climat ; elles dépendent aussi des habitudes des peuples.
Dans toutes les régions froides, la production de chaleur artificielle par le chauffage est absolument nécessaire pour la préservation de la vie. On constate cependant une différence dans le degré de température exigé par différentes nations vivant sous les mêmes latitudes et dans les milieux semblables.
En Europe, une température de 15 à 16° Centigrade— correspondant à environ 60° Fahrenheit, est considérée confortable, tandis qu'en Amérique, d'une manière générale, 70° F est la température requise pour le confort.
On entretient généralement la température autour de 70° F dans les résidences ; autour de 55 à 65° dans les ateliers , suivant la nature du travail qui s'y accomplit ; entre 70° et 75° dans les édifices publics et de 70 à 90° dans les salles de bain.
Un appareil de chauffage qui ne maintiendra pas cette température à l'intérieur, sous toutes les conditions de température extérieure, ne saurait être accepté comme satisfaisant.
Avant de faire l'étude de la manière dont la chaleur artificielle peut être utilisée dans les divers systèmes de chauffage, ainsi que de la manière dont il faut calculer leur rendement et les installer, il importe de faire un exposé sommaire de ce qu'est la chaleur et de voir quelles sont ses propriétés.
LA CHALEUR
La chaleur est une des formes physiques de l'énergie produite par la combustion, par le frottement ou quelqu'action chimique ; ou encore par le passage d'un courant électrique à travers un corps conducteur. La fission atomique produit aussi de la chaleur.
PROPRIÉTÉS DE LA CHALEUR
La chaleur se perçoit par la sensation que nous éprouvons au contact d'un corps. Celui-ci sera plus ou moins chaud, ou plus froid qu'un autre. On perçoit également la chaleur par les rayons qui se dégagent d'un corps chaud.
Au point de vue scientifique, la chaleur est une forme particulière de l'énergie, comparable sous bien des rapports à la lumière et à l'électricité. Sous des conditions favorables, elle est susceptible de produire directement du travail ou d'être convertie en travail mécanique.
LES ASPECTS DE LA CHALEUR
La chaleur peut être considérée sous deux aspects, soit : son intensité et sa quantité, c'est-à-dire la température et la chaleur spécifique.
La température est l'intensité plus ou moins élevée de la chaleur dans un lieu ou dans un corps. Son degré d'élévation peut être mesuré au moyen du thermomètre. (Fig. 1).
Fig. 1.— Portée du thermomètre indiquant la température pour la climatisation, la ventilation et la réfrigération.
MESURE DE LA CHALEUR
La quantité de chaleur se mesure en calories ou en B.T.U. suivant que l'on utilise le système métrique ou anglais.
La calorie française correspond à la quantité de chaleur requise pour élever un gramme d'eau de 0° à 1° Centigrade.
En pratique on emploie la grande calorie qui correspond à un kilogramme-degré.
Pour nous, la calorie consiste dans l'unité thermique britannique (British Thermal Unit) ou (B.T.U.) qui équivaut à 1/180e de la chaleur requise pour élever la température d'une livre d'eau de 32° à 212° F.
La B.T.U. équivaut donc, en substance, à la quantité de chaleur requise pour élever une livre d'eau de 63° à 64° Fahrenheit, soit d'un degré. La B.T.U. correspond à .252 de la calorie française ; inversement, une calorie métrique équivaut à 3.968 B.T.U.
LES THERMOMÈTRES
Le thermomètre est un instrument qui sert à mesurer la température. Il est inutile d'insister sur la construction de cet appareil, formé d'un tube en verre contenant une certaine quantité d'alcool coloré ou de mercure, qui se dilate ou se contracte à la moindre variation de température.
Il existe trois sortes de thermomètres : Fahrenheit, Centigrade et Réaumur.
Leur graduation varie selon leur point de comparaison au degré de congélation de l'eau, qui sera de 0° pour les thermomètres Centigrade et Réaumur, ou de 32° pour le Fahrenheit.
Le premier s'étend sur une échelle de 100°, et le second compte 80° entre le point de congélation de l'eau et son point d'ébullition.
Par ailleurs, sur l'échelle du thermomètre Fahrenheit, il y a 180° entre le point de congélation ou la température de la glace fondante (32°), et le point d'ébullition de l'eau (212°).
Pour toutes fins pratiques, le thermomètre Fahrenheit est à peu près exclusivement utilisé au Canada et aux États-Unis. Le thermomètre Centigrade est employé quelquefois dans les laboratoires. (Fig. 2).
Fig. 2.— Comparaison entre les thermomètres Fahrenheit et Centigrade.
CHALEUR SPÉCIFIQUE
La chaleur spécifique est la quantité de chaleur requise pour élever d'un degré la température d'une unité de poids d'un corps ou de l'air.
CHALEUR LATENTE
Lorsque sous l'effet de la chaleur un liquide atteint le point d'ébullition, sa température reste alors la même tant qu'il n'est pas totalement converti en vapeur. La chaleur ainsi absorbée durant l'évaporation est appelée chaleur latente de vaporisation.
PROPAGATION DE LA CHALEUR
La propagation est le mode suivant lequel se transmettent les différentes formes de l'énergie: la lumière, la chaleur, l'électricité. La propagation de la chaleur sera donc le mode suivant lequel se transmettra la chaleur d'un corps, d'un point à un autre.
Nous savons tous qu'un corps froid reçoit de la chaleur et s'échauffe en présence d'un corps plus chaud que lui, et que ce dernier laisse échapper de la chaleur dans toutes les directions, en quantités plus ou moins grandes suivant sa nature et l'état de sa surface.
Cette chaleur que les corps échangent entre eux et qui produit sur nos organes les sensations qui nous sont familières est désignée sous le nom de chaleur sensible.
EFFETS DE LA CHALEUR
La chaleur peut se propager de trois façons différentes: par conduction, par convexion et par rayonnement.
L'action de la chaleur sur les corps peut se trahir par les changements d'état qui constituent les phénomènes de la fusion et de la vaporisation, et aussi, lorsque les effets produits sont moins intenses, par une augmentation de volume que l'on appelle dilatation ou expansion.
CONDUCTION DE LA CHALEUR
Nous admettrons avec tous les physiciens que la matière n'est pas continue, mais qu'au contraire les corps sont composés de particules extrêmement petites que les savants appellent molécules. Ces molécules elles-mêmes peuvent se décomposer en atomes.
La conduction est la transmission de la chaleur qui s'accomplit dans la masse des corps, de molécule à molécule.
Certaines substances comme les métaux conduisent facilement la chaleur et sont appelées bons conducteurs ; d'autres au contraire, comme le verre, le bois, certains plastiques, sont mauvais conducteurs et opposent à la transmission de la chaleur une résistance plus grande.
On appelle transmission le passage, d'un corps à un autre, de la chaleur, du froid, du son, de l'électricité.
CONVEXION DE LA CHALEUR
On désigne sous le nom de convexion le mode particulier de propagation de la chaleur dans les liquides, les gaz et plus spécialement dans l'air, pour ce qui concerne le chauffage.
On l'observe partout lorsqu'on chauffe un liquide à la partie inférieure de son contenant. Les molécules liquides directement chauffées par contact acquièrent un mouvement ascendant, tandis que les parties froides du liquide descendent sur les côtés pour revenir à leur tour au fond du vase.
Il en résulte une circulation où le liquide finit par subir directement l'influence de la chaleur, dans la totalité de sa masse.
CONVEXION DE L'AIR
Le même phénomène se produit dans les gaz et l'air. C'est pour cette raison que l'air d'une chambre dans laquelle on allume un feu de foyer ou un poêle se réchauffe rapidement en ses différentes parties.
L'ascension de l'air chaud, remplacé par l'air froid, tend à répartir la chaleur dans toute la masse d'air de la pièce. C'est du reste de ce principe qu'on a tiré l'idée du chauffage à l'air chaud.
RAYONNEMENT DE LA CHALEUR
On désigne sous le nom de rayonnement la propagation de la chaleur dans toutes les directions autour d'un corps chaud, et cela sans échauffer sensiblement le milieu qu'elle traverse.
C'est par rayonnement que la chaleur solaire franchit l'espace et parvient jusqu'à la terre, sans pour ainsi dire échauffer l'atmosphère — un peu à la façon de la lumière. (Fig. 3).
Fig. 3.— Le rayonnement de la chaleur s'accomplit de la même manière que celui de la lumière.
CHALEUR RAYONNANTE
Un rayon de chaleur est la direction suivant laquelle la chaleur se propage à partir de sa source. L'association de plusieurs rayons constitue la chaleur rayonnante. Voici, d'ailleurs, les lois du rayonnement de la chaleur:
1° Le rayonnement de la chaleur se fait dans toutes les directions autour d'une source de chaleur.
2° Dans un milieu homogène ce rayonnement se fait en ligne droite.
3° La chaleur rayonnante se propage dans le vide comme dans l'air ; il en est dé même de la chaleur lumineuse.
4° La vitesse de propagation de la chaleur rayonnante est égale à celle de la lumière, soit 186,300 milles à la seconde.
5° L'intensité de la chaleur que reçoit normalement une surface varie en raison inverse du carré de la distance qui sépare cette surface de la source de chaleur.
RÉFLEXION DE LA CHALEUR
La réflexion de la chaleur est le phénomène qui se produit lorsqu'un rayon de chaleur frappe ou effleure une surface plane. (Fig. 4).
Fig. 4.— Rayonnement et réflexion de la chaleur.
LOIS DE LA RÉFLEXION
La chaleur se réfléchit comme la lumière.
1° Les rayons incidents et les rayons réfléchis sont toujours, dans un même plan, perpendiculaires à la surface réfléchissante.
2° L'angle d'incidence, c'est-à-dire l'angle auquel le rayon de chaleur frappe une surface (ICP), est égal à l'angle d'inflexion (PCR), (Fig. 5).
Fig. 5.— Angles d'incidence de la réflexion de la chaleur.
DIFFUSION DE LA CHALEUR
Dans certaines conditions, toutefois, une partie de la chaleur rayonnante ne semble pas suivre les lois de la réflexion que nous venons de voir, mais se disperse dans toutes les directions.
Le cas se présente lorsque les rayons de chaleur tombent sur une surface plane, mais dépolie, ou une substance mate telle que les planches murales à base de pulpe, le bois, la pierre.
Cette diffusion s'explique par le fait que les rayons tombent en réalité sur un grand nombre de petits plans constitués par lès aspérités de la surface apparemment plane, sur laquelle ils se reflètent.
POUVOIR DE RÉFLEXION, POUVOIR ABSORBANT
Le pouvoir de réflexion d'une surface est le rapport de la chaleur réfléchie à la chaleur reçue.
Le pouvoir absorbant est le rapport de la quantité de chaleur absorbée par un corps, en comparaison avec la quantité de la chaleur incidente, c'est-à-dire de la chaleur qui lui arrive d'une source particulière.
Certains corps réfléchissent ou diffusent plus ou moins la chaleur ; d'autres l'absorbent et l'emmagasinent, ce qui contribue à les réchauffer, comme on dit communément.
Les métaux polis qui ont un grand pouvoir de réflexion absorbent peu la chaleur. Les couleurs foncées absorbent plus de chaleur que les couleurs pâles.
POUVOIR DIATHERMIQUE
Certaines substances se laissent facilement traverser par la chaleur; elles sont diathermiques. D'autres sont «opaques» et ne la laissent pas passer. Nous avons vu plus haut qu'un corps peut être bon conducteur de la chaleur et un autre mauvais conducteur — par exemple les métaux comparés au bois.
