Le choc thermique en physique

Les fissures et les éclatements

Ayez le réflexe de vérifier l'état de votre pare-brise et de vos essuies-glaces avant de prendre la route, cela est très important afin de garantir une sécurité pour tous.
En cas de bris de glace, sachez que vous êtes libre de choisir le garagiste qui effectuera la réparation, votre assurance ne peut pas vous imposer un professionnel.

Le choc thermique est un événement qui engendre des contrainte interne au sein des matériaux et qui peut donc les amener à éclater, même pour des matériaux durs et rigides. On peut illustrer cela avec l'exemple du verre qui est très sensible au choc thermique. En effet, en cas de choc thermique brutal, si le verre présente un impact ou une imperfection, celui-ci peut éclater et provoquer un bris de glace. C'est pour cela qu'il faut être prudent à l'état de son pare-brise en été avec la climatisation ou en hiver avec le chauffage !

Mais la roche est également un matériau sensible au choc thermique. En effet, dès la préhistoire, on a utilisé le phénomène de choc thermique afin de chercher des silex ou encore pour exploiter divers minerais de métaux. On appelle cela le dépilage par le feu, on utilisait cette méthode dans les mines anciennes.

De plus, lors qu'un matériau subit un refroidissement rapide, le cœur de se matériau peut être encore chaud alors que la partie externe de celui-ci est froide et commence donc à se rétracter. Cela engendre alors des contraintes de tension pouvant provoquer des fissures voire même l'éclatement du matériau. C'est donc dans le but de limiter ce phénomène que l'on refroidit de manière lente les céramiques et certains verres. Parfois même, on les recuit afin de les rendre plus solide. Il faut néanmoins rester prudent puisqu'en cas de réchauffement rapide, il peut également y avoir un risque de fissuration à cause de la différence de température bien que celle-ci soit nettement moindre que dans le cas du refroidissement rapide.

Le durcissement

On peut utiliser le choc thermique afin de rendre plus résistant un matériau. C'est notamment le cas de l'acier chauffé au rouge que l'on plonge ensuite et de façon brutale dans de l'eau, ou de l'huile, froide. On appelle cela un phénomène de trempe et permet d'interrompre rapidement une réaction.

La technique de la trempe thermique est également utilisé dans le but de fabriquer du verre trempé.

De nombreux possesseurs de smartphone achètent des écrans de protection en verre trempé afin de protéger la vitre de leur écran tactile. En effet, vu le prix de ces appareils et le coût des réparations, il peut être favorable d'opter pour ce genre de protection.

Tester un matériau grâce au choc thermique

De nombreux tests peuvent être réalisé afin de tester la résistance d'un matériau.

Dans ce cas, on réalise le teste dans un enceinte à chocs thermiques, abrégé VRT. Cette enceinte est composée de deux chambres dont l'une avec des températures négative et une autre pour les températures positives.

Le choc se produit donc lorsque les échantillons sont transférés de façon très rapide, un transfert d'environ 10 secondes en général, d'une chambre à l'autre. On peut donc, par exemple, faire passer un échantillon d'une température de -80°C à une température de 220°C, tout dépend du test mais également des capacités de la machine utilisée.

De ce fait, toute faiblesse mécanique invisible de composants électroniques peut être rapidement révélée lorsque les échantillons sont soumis à un cycle de chocs thermiques rapide.

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C'est parti

Le choc thermique sur l'être-vivant

De façon générale, lorsque l'on parle de choc thermique en médecine, on parle d'un stress subi par un organisme vivant suite à une élévation ou une diminution rapide de sa température au-delà d'une certaine valeur définie. Ce phénomène conduit alors à l'activation des protéines de choc thermique de l'organisme. Un tel événement peut d'ailleurs provoquer la mort de cet organisme.

C'est un phénomène qui est d'ailleurs utilisé afin de stériliser le lait UHT (Ultra Haute Température).

Le lait UHT est donc un lait pasteurisé à haute température afin de le débarrasser de toutes traces de bactéries.
En revanche, les fromages au lait cru ne sont pas confectionnés avec du lait UHT, c'est pourquoi ils sont déconseillés aux femmes enceintes.

L'hydrocution

Une hydrocution correspond à un choc thermique subi par un être humain au contact d'un environnement aquatique. Même si, aujourd'hui, ce terme est utilisé pour parler de façon plus générale de la noyade provoquée par l'hydrocution. Du côté médical et scientifique, ce terme correspond plus simplement à un malaise vagal.

Le mécanisme de l'hydrocution

Si vous êtes restés longtemps au Soleil avant de vous baigner, ne vous jetez pas immédiatement dans l'eau sous peine d'avoir une hydrocution ! Pensez à vous mouillez progressivement les extrémités et la nuque pour minimiser les risques.

Lorsque la température du corps est très élevée suite à une exposition prolongée au Soleil, après un effort sportif ou encore suite à la prise d'alcool, les vaisseaux sanguins de l'organisme qui sont situés sous la peau se retrouvent dilatés, on parle alors de vasodilatation. Cette vasodilatation permet donc de favoriser la circulation périphérique du sang afin d'évacuer la chaleur de l'organisme. On peut donc avoir également un rythme cardiaque élevé afin d'accélérer le refroidissement du corps et donc l'évacuation de la chaleur.

Or, le corps humain se refroidit 25 fois plus vite dans l'eau que dans l'air. En effet, l'eau présente une meilleure conduction thermique que l'air, d'où l'utilisation de l'air dans le cadre des doubles vitrages. De ce fait lorsque l'organisme entre de façon brutale dans de l'eau froide, la température centrale de l'organisme va diminuer de façon rapide. Pour préserver cette température centrale, l'organisme va donc provoquer une contraction des vaisseaux sanguins au niveau de membre et de la peau, on parle de vasoconstriction, afin de réduire les pertes calorique. Ce phénomène va alors provoquer un reflux sanguin de la périphérie vers l'intérieur de l'organisme et plus particulièrement vers le cœur, provoquant alors une augmentation de la pression artérielle.

Néanmoins, pour se protéger de l'hypertension, le cœur va donc ralentir via l'action du système nerveux parasympathique provoquant alors un irrigation réduite du cerveau et donc un déficit d'approvisionnement en dioxygène pouvant conduire à une perte de conscience. Le risque est donc que cette syncope thermo-différentielle provoque un arrêt cardio-respiratoire puis une mort par noyade du fait de l'environnement aquatique en 4 à 5 minutes. On appelle alors de submersion-inhibition, de noyade syncopale ou encore de fausse noyade puisque la vraie noyade se produit par asphyxie.

Ce phénomène provoque par la suite un réflexe du corps qui est de fermer les sphincters, expliquant alors pourquoi on trouve assez peu d'eau dans les voies aériennes supérieures. Donc, contrairement aux noyés classique dont la peau est bleue à cause des cyanoses, les faux noyés présente un teint cireux, on les appelle alors les noyés blancs.

MatériauxConductivité thermique (en W.m-1.K-1) à 20°C
Silicium146
Nitrure de silicium20-65
Quartz6,8-12
Bakélite (1,3 g/cm3)1,4
Verre1,2
Béton0,92
Eau0,6
EPDM0,36-0,40
Epoxy0,25
Dihydrogène (gaz)0,17
Amiante0,16778
Hélium (gaz)0,14
Asphalte (2,1 g/cm3)0,06
Dioxygène (gaz)0,027
Air (100 kPa)0,0262
Cuir0,088

En observant ce tableau, on peut remarquer que la bakélite est un matériau qui possède une bonne conductivité thermique. Cela signifie qu'elle peut évacuer plus facilement sa chaleur. C'est pour cela qu'elle est utilisé dans l'automobile au sein d'élément où on a besoin d'engranger de la chaleur sans provoquer de casse comme dans les garnitures d'embrayages mais aussi dans les culots et les embases des ampoules.

Remarque

Contrairement aux idées reçues, il n'est pas scientifiquement reconnu que la digestion favoriserait l'hydrocution. En effet, selon une étude menée aux Etats-Unis, seul 1% des noyades ont eu lieu après un repas alors que la baignade après une consommation de boissons alcoolisée augmente de façon drastique le risque de noyade.

D'ailleurs, une étude de plusieurs centaines de morts d'adultes par noyade en Californie a permis de révéler que près de 41% des noyades étaient liées à la consommation d'alcool. Dans le cas des adolescents, ce pourcentage descend à 25% des noyades.

Les transferts thermiques

Ce qu'on appelle transfert thermique en sciences est plus couramment appelé chaleur dans la vie quotidienne. Un transfert thermique correspond à l'un des modes d'échange d'énergie thermique entre deux systèmes. Dans le cas du double vitrage, on parlera du système extérieur  et du système intérieur (la maison). Cela correspond à une notion fondamentale de la thermodynamique et, contrairement au travail, les transferts thermiques correspondent à un bilan de transferts d'énergie dits microscopiques et désordonnées.

Il est possible de distinguer trois type de transfert thermique, tous pouvant coexister :

  • La conduction correspond à la diffusion progressive de l'agitation thermique dans la matière ;
  • La convection correspond au transfert thermique qui accompagne des déplacements macroscopiques de la matières ;
  • Et le rayonnement qui correspond à la propagation de photons.

Ainsi, la quantité de chaleur, notée Q et exprimée en joule, correspond à la quantité d'énergie qui sera échangée par le moyen de ces trois différents type de transfert. Une convention indique alors que, lorsque Q > 0, on dit que le système reçoit de l'énergie. De plus, il peut être intéressant de retenir que la thermodynamique fait appel au concept de chaleur afin de mettre en place le premier mais aussi de deuxième principe de la thermodynamique.

Malgré tout cela, il reste de nombreuses ambiguïtés mais également de nombreuses confusions qui s'entretiennent. En effet,  malgré le sens que l'on accorde à chaleur dans la vie quotidienne, le principe de chaleur au sens thermodynamique du mot n'a aucun lien avec la température. Cependant, il reste vrai que les transferts thermiques spontanées se font toujours du système le plus élevé en température vers le système le moins élevé en température même s'il reste possible de provoquer l'inverse grâce à une machine thermique comme un réfrigérateur.

L'exemple le plus simple de situation mettant en jeu un transfert thermique est celui de deux corps en contact ayant des températures différentes. Le corps le plus chaud cède de l'énergie au corps le plus froid par conduction ; sa température diminue, le désordre, l'agitation thermique, diminue. En contrepartie, la température du corps froid augmente, l'agitation thermique augmente en son sein.

Il est d'ailleurs intéressant de noter que, lorsqu'il y a un changement d'état, le corps pur ne changera pas de température bien qu'il échange de l'énergie sous forme de chaleur.

Exercice sur le béton et les changements brusques de température

On cherche à déterminer l'évolution du profil de température dans le mur en béton d'un bâtiment suite à une variation brusque de la température extérieure.

On modélise le béton par un milieu homogène semi-infini x ≥ 0. La température initiale du béton et de l'extérieur est uniforme égale à T1.

A t = 0, la température extérieure, pour x ≤ 0, prend la valeur constante T2.

  • Quelle est l'équation vérifiée par la température T(x,t) dans le béton ?
  • Justifiez mathématiquement que la fonction f(x/λ) est la dilatée d'un coefficient λ selon x de la fonction f(x) .
    • On cherche donc la solution T(x,t) sous la forme T(u) avec u = x / (Dt)1/2 où D représente le coefficient de diffusion de l'équation de diffusion thermique. En déduire l'équation différentielle vérifiée par T(u).
  • Résoudre cette équation en utilisant la fonction erf(x) définie par :

        \[ \text { erf } \left( x \right) = \frac { 2 } { \sqrt { \pi } } \int _ { 0 } ^ { x } \exp \left( - t ^ { 2 } \right) \text { d}t \]

  • Représenter le profil de température dans le béton, et décrire son évolution.
  • Quelle est la condition sur la durée d'évolution de la température extérieure pour que l'on puisse utiliser la notion de résistance thermique pour évaluer le flux thermique dans le béton d'épaisseur e ?
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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !