Le transfert thermique peut être assimilé à un transfert d’énergie microscopique désordonné.

Il existe plusieurs types de transmission de chaleur :

  • Le transfert thermique par convection
  • Le transfert thermique par conduction
  • Le transfert thermique par rayonnement

Le tableau ci-après donne un aperçu des différents types de transferts thermiques que nous allons décrire :

Type de transfertExemple
Transfert par conductionFer à repasser
Transfert par convectionSèche-cheveux
Transfert par rayonnementRayons du Soleil

Bon à savoir : il ne faut pas confondre chaleur et température !

La chaleur est un transfert d’énergie qui est dit désordonné alors que la température caractérise l’état d’un corps et peut être mesurée en °C ou en K.

Transfert thermique par convection

Définition de la convection

Il s'agit d'un transfert de chaleur qui s'effectue grâce à un mouvement de matière dans un milieu liquide ou gazeux.

En effet, la circulation d’un fluide chauffe et fait circuler la chaleur. C’est donc un terme plutôt réservé aux fluides. La chaleur est propagée par déplacement de matière.

Explication de la convection

Lors de la convection les mouvements  se produisent en général de manière spontanée sous l'effet d'une différence de température entre des zones d'un fluide.

En effet, la densité d'une substance dépend de sa température : un gaz ou un liquide possède une densité d'autant plus faible que sa température est élevée.

 

Comment peut-on expliquer le phénomène de convection ? Principe de la convection.

Par conséquent, un fluide chaud à donc tendance à s'élever et un fluide froid à descendre ce qui provoque des courants ascendants ou descendants que l'on retrouve par exemple dans l'air ou dans l'eau.

Au cours de ces mouvements, les fluides chauds transmettent de la chaleur aux fluides plus froids.

Quelle est la différence entre la convection naturelle et la convection forcée ?

La convection naturelle se retrouve dans les phénomènes environnementaux.

Quand un zone de l'atmosphère change de température et se déplace verticalement : le changement de température influe sur sa masse volumique.

Il se créer  un mouvement de convection à l’origine des phénomènes naturels comme par exemple les courants marins.

La convection forcée est une circulation artificielle d’un fluide.

On trouve ce système de convection forcée dans le chauffage central avec accélérateur, les chauffe-eau solaires ou même la circulation sanguine ! (les échanges thermiques entre les organes et la peau se font essentiellement par convection, assurée grâce à la circulation sanguine.)

Transfert thermique par conduction

Définition de la conduction

La conduction correspond au transfert de chaleur direct entre des matières en contact. La conduction thermique est un terme spécifique aux solides. C’est un transfert thermique direct au sein d’un milieu matériel (par propagation de proche en proche).

Explication de la conduction

Toute matière est composée d'atomes (qui font éventuellement partie de molécules) et ces atomes ne sont jamais totalement fixes : ils vibrent et ces vibrations peuvent se transmettre de proche en proche aux atomes voisins et c'est ce phénomène qui correspond à un transfert de chaleur par conduction.

La chaleur est ainsi transmise des particules les plus agitées (celles qui ont donc la température la plus élevée) vers les particules les moins agitées (celles qui ont la température la plus faible).

La conduction se définit par une transmission de chaleur de proche en proche dans un matériau comme le métal. En effet, les métaux sont de bons conducteurs de chaleur.

Qu’est-ce qu’un conducteur de chaleur ?

Les métaux peuvent être classés en fonction d’une caractéristique particulière : leur conductivité thermique.

C’est une grandeur qui caractérise l’aptitude d’un corps à conduire la chaleur. Plus elle est élevée et plus le matériau conduit la chaleur et donc moins il est isolant. En effet, les électrons de la matière communiquent leur agitation de proche en proche.

Cette caractéristique va de paire avec la conductivité électrique.

Le cuivre et l’aluminium sont des matériaux présentant une très forte conductivité thermique.

Le bois, le polystyrène ou  l’air sont des isolants. Les matériaux isolants permettent de limiter les déperditions de chaleur.

Le saviez-vous ?

Les batteries de cuisine professionnelles sont le plus souvent en cuivre. Mais pourquoi ? Le cuivre possède des caractéristiques exceptionnelles. C’est un matériau hygiénique (il possède des propriétés antibactériennes naturelles) et surtout il possède une excellente conductivité thermique. Ainsi, le cuivre transmet la chaleur entre la flamme et l’aliment en répartissant la chaleur de façon la plus homogène possible.

Transfert par rayonnement

Définition du rayonnement

Tout corps émet des rayonnements dont la fréquence (et donc l'énergie) dépend de la température de ce corps : ce phénomène est décrit par la loi de Wien. A température ambiante la majorité de ces rayonnements sont des infrarouges qui sont absorbés par la matière environnante et en convertis en chaleur.

Qu'est-ce que la loi de Wien ?

La loi de Wien met en relation le rayonnement d'un corps noir (corps opaque et non réfléchissant et non diffusant et capable d'absorber toutes les radiations électromagnétiques incidentes) à une longueur d'onde.

Explications du rayonnement

Le rayonnement (de nature électromagnétique) peut se propager dans le vide. L’absorption par la matière peut ainsi donner lieu à des phénomènes thermiques.

En effet, le rayonnement électromagnétique permet de chauffer les aliments par agitation thermique très grande qui donne une élévation de température.

Exemple : le rayonnement solaire ou le four à micro-ondes.

Le saviez-vous ?

L’histoire du micro onde est liée à la gourmandise d’un homme : Percy Spencer.

L’histoire se déroule en 1946. Percy Spencer travaillait alors dans une usine de magnétrons pour radars. Gourmand, Percy Spencer avait dans sa poche une barre chocolatée. Un jour qu’il s’approchait du magnétron, sa barre de chocolat fondit dans sa poche.

Il compris alors que les micro-ondes pouvaient avoir une autre utilisation : la cuisson des aliments. Le micro-onde était né.

Pour aller plus loin...Et une enceinte adiabatique, qu’est ce que c’est ?

Il s’agit d’un matériau parfaitement imperméable à la chaleur (comme par exemple un thermos ou encore un calorimètre).

Dans une bouteille thermos un vide partiel règne entre les parois et le matériau externe est isolant, ce qui limite fortement les échanges thermiques par convection. De plus, les parois sont argentées pour limiter les pertes de chaleur par rayonnement en réfléchissant le rayonnement infrarouge.

Attention à ne pas confondre avec le terme diathermane qui désigne un objet parfaitement perméable à la chaleur.

Exemple concret d'échanges thermiques : les modes de chauffage

Il existe plusieurs types de chauffage :

Le chauffage par conduction

Il s’agit d’un chauffage par transfert de chaleur qui se réalise par le contact de deux milieux de températures différentes. Ainsi, quand un élément est chaud il va réchauffer un autre élément plus froid des que les deux éléments seront en contact.

Le plancher chauffant est un exemple de chauffage par conduction ou la chaleur est directement transmise aux pieds !

Le chauffage par convection

Ce type de chauffage s’effectue via des convecteurs électriques. Le chauffage par convection repose sur le principe suivant : la chaleur monte et le froid descend.

Le principe de ce type de chauffage est simple : l’air froid entre dans le bas de l’appareil, il est ensuite se réchauffer via une résistance électrique et cet air chaud, plus léger va s’échapper par les grilles supérieures vers le haut, permettant de réchauffer l’air ambiant.

Comment fonctionne un radiateur à convection ? La radiateur à convection, un moyen de chauffage.

Le chauffage par rayonnement

Ce type de chauffage permet de transmettre la chaleur grâce aux ondes, de façon homogène. Les nouvelles générations de radiateurs, appelés radiateurs rayonnants diffusent la chaleur en ligne droite. Une résistance électrique chauffe une plaque située à l’intérieur de l’appareil.

La chaleur rayonne ensuite à travers des grilles pour chauffer la pièce tout entière.

Le chauffage par rayonnement possède de nombreux avantages comme le fait de brasser moins de poussière et d’obtenir un air moins sec.

Pour aller plus loin…

Les échanges thermiques sont particulièrement étudiés par les scientifiques.

A Odeillo, il existe un four solaire qui sert de véritable laboratoire de recherche au CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique). Ce four permet d’étudier les échanges thermiques à haute température, le comportement des matériaux dans des conditions extrêmes etc…

Ce four à été construit pour fonctionner sur le principe de la concentration des rayons du Soleil grâce à des miroirs réfléchissants. Cette configuration permet d’obtenir des changements de température très brusques et d’étudier entre autre, l’effet des chocs thermiques.

Qu'est ce qu'un four solaire ? Le four solaire d'Odeillo, dans les Pyrénées, l'un des plus grands au monde.

Pourquoi le four solaire est-il composé de miroirs ? Tout corps chaud est émetteur d’un rayonnement électromagnétique (notamment d' infrarouges). On emploie des matériaux polis ou des surfaces argentées qui réfléchissent ce rayonnement comme la lumière sur un miroir.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).

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