Transferts de chaleur avec changement d’état solide-liquide

Le changement d’état liquide-solide d’un matériau pur est caractérisé par la transformation, à température constante, d’une phase liquide en une phase solide ou inversement. Cette réaction réversible s’accompagne d’une consommation (fusion) ou d’une restitution (solidification) d’énergie : l’enthalpie massique de fusion (ou la chaleur latente de fusion). Le but de cet article est de faire le point sur les connaissances acquises sur le transfert de chaleur avec changement d’état dans un matériau à changement de phase (MCP) où les deux phases liquide et solide sont en présence.

Depuis le travail précurseur de Stefan en 1891 sur l’épaisseur de la calotte polaire, les problèmes de transfert thermique avec changement d’état solide‐ liquide portent le nom de ce physicien. Ces problèmes ont une importance considérable dans de nombreuses applications techniques et processus naturels : on peut citer l’évolution des banquises, la congélation des aliments, la biocryogénie, le moulage, la coulée continue, la croissance cristalline, la sécurité des réacteurs nucléaires, le contrôle thermique des engins spatiaux, le stockage thermique, etc. Rappelons aussi que les premiers métallurgistes du Moyen-Orient moulaient en terre, puis qu’ils ont remplacé les argiles par des sables de granulométrie précise et des moules métalliques pour augmenter la précision du moulage. La coulée en cire perdue, qui permet de faire des pièces avec une grande finesse des détails, était déjà connue des Égyptiens du moyen-empire. Cette grande variété de champs d’application explique l’élan des recherches poursuivies dans ce domaine depuis de nombreuses années pour mieux connaître la dynamique de ces processus.

Dans le cadre de cet article, nous exposerons les principales méthodes développées pour résoudre ces problèmes et les principaux résultats acquis. Bien que cette présentation soit essentiellement consacrée aux aspects purement thermiques, nous ferons référence aux couplages avec le transfert de matière dans les processus de changement d’état dans les systèmes à plusieurs composants. Nous ne considérons cependant ici que les phénomènes de changement d’état à l’équilibre, sans prendre en compte les phénomènes de surfusion ou de solidification rapide, ni la physique de la nucléation.