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Sciences · Physique

Transferts thermiques

Un transfert thermique est un échange d’énergie dû à une différence de température, toujours du corps chaud vers le corps froid. Il se fait par conduction, par convection ou par rayonnement.

Mis à jour le 4 min de lecture

Une cuillère plongée dans un thé brûlant chauffe jusqu’au manche, l’air chaud d’un radiateur monte vers le plafond, le Soleil chauffe la Terre à travers le vide spatial. Ces trois situations illustrent les trois modes de transfert thermique : la conduction, la convection et le rayonnement. Dans tous les cas, l’énergie passe spontanément du corps le plus chaud vers le plus froid, jusqu’à ce que leurs températures s’égalisent.

Température et chaleur : ne pas confondre

Un grand bain à 40 °C contient beaucoup plus d’énergie thermique qu’une tasse de thé à 80 °C, alors que sa température est plus basse. Les deux notions sont reliées par la capacité thermique massique : Q = m × c × ΔT.

La conduction

L’énergie se propage de proche en proche à l’intérieur d’un matériau, sans déplacement de matière : les particules les plus agitées transmettent leur agitation à leurs voisines. Dans les métaux, les électrons libres accélèrent fortement ce transfert.

Bons conducteurs thermiquesMauvais conducteurs (isolants thermiques)
Cuivre, aluminium, argent, ferAir immobile, laine, plumes
Pierre, verre (moyennement)Bois, liège, polystyrène expansé
Eau (moyennement)Laine de verre, laine de roche

C’est pourquoi une poignée de casserole est en bois ou en plastique, et pourquoi un carrelage paraît plus froid qu’un tapis à la même température : il évacue plus vite la chaleur du pied.

La convection

Dans un fluide (liquide ou gaz), la partie chauffée se dilate, devient moins dense et monte ; la partie froide, plus dense, descend. Il se forme des courants de convection qui transportent l’énergie avec la matière.

Exemples :

  • l’eau d’une casserole qui tourne quand on la chauffe par le bas ;
  • l’air chaud d’un radiateur qui monte, l’air froid qui redescend près des fenêtres ;
  • les vents, les brises de mer et les courants océaniques ;
  • les mouvements lents du manteau terrestre.

On parle de convection forcée quand un ventilateur ou une pompe impose le mouvement (four à chaleur tournante, circuit de chauffage central).

Le rayonnement

Tout corps émet un rayonnement électromagnétique qui dépend de sa température : surtout de l'infrarouge aux températures ordinaires, de la lumière visible au-delà de 600 à 700 °C environ (un métal chauffé « au rouge »). Ce rayonnement transporte de l’énergie sans support matériel : il traverse le vide. C’est ainsi que l’énergie du Soleil nous parvient. Voir spectre électromagnétique et rayonnement du corps noir.

Les surfaces sombres et mates absorbent et émettent bien le rayonnement ; les surfaces claires et brillantes le réfléchissent.

Les trois modes comparés

ModeMilieu nécessaireDéplacement de matièreExemple
ConductionSolide surtout (aussi liquide, gaz)NonManche de cuillère qui chauffe
ConvectionFluide (liquide ou gaz)OuiAir chaud au-dessus d’un radiateur
RayonnementAucun (traverse le vide)NonChaleur du Soleil, d’un feu de cheminée

Dans la réalité, les trois modes coexistent souvent : un radiateur chauffe la pièce par convection et par rayonnement, et sa paroi est traversée par conduction.

Application : l’isolation

Pour limiter les pertes d’une maison ou garder un liquide chaud, on agit sur les trois modes :

  • conduction : matériaux isolants emprisonnant de l’air immobile (laine de verre, polystyrène, double vitrage) ;
  • convection : supprimer les courants d’air (joints de fenêtres), vide entre deux parois ;
  • rayonnement : surfaces réfléchissantes (couverture de survie, paroi argentée).

La bouteille isotherme cumule les trois : double paroi sous vide (ni conduction ni convection), surfaces argentées (rayonnement réfléchi), bouchon isolant.

Expérience classique : la conduction dans les métaux

Matériel : des tiges de même longueur en cuivre, aluminium, fer et verre, des petites billes de cire (ou des allumettes collées à la cire), un récipient d’eau très chaude.

  1. Fixer une bille de cire à l’extrémité haute de chaque tige.
  2. Plonger l’autre extrémité dans l’eau chaude.
  3. Observer l’ordre de chute des billes : d’abord sur le cuivre, puis l’aluminium, puis le fer ; le verre beaucoup plus tard.

Erreurs fréquentes

  • Dire que le froid « entre » : c’est la chaleur qui sort. Le transfert va toujours du chaud vers le froid.
  • Croire qu’un pull « produit » de la chaleur : il limite les pertes du corps.
  • Penser que la convection existe dans les solides : elle nécessite un fluide en mouvement.
  • Confondre température et énergie : deux objets à la même température peuvent contenir des énergies très différentes.

Exercice corrigé

Énoncé. Identifier le mode de transfert principal : a) on se brûle en touchant le couvercle métallique d’une casserole ; b) on sent la chaleur d’un feu de camp à deux mètres ; c) la fumée monte au-dessus du feu ; d) une couverture de survie dorée protège un blessé du froid.

Corrigé.

  1. Conduction, dans le métal puis vers la main.
  2. Rayonnement infrarouge.
  3. Convection : les gaz chauds, moins denses, s’élèvent.
  4. Elle limite surtout les pertes par rayonnement en renvoyant l’infrarouge émis par le corps, et coupe les courants d’air.

Questions fréquentes

Pourquoi le métal paraît-il plus froid que le bois à la même température ?

Parce que le métal conduit beaucoup mieux la chaleur : il prend rapidement l’énergie de la main, qui se refroidit plus vite au point de contact. Le toucher ressent un flux de chaleur, pas une température.

Pourquoi l’air chaud monte-t-il ?

En se réchauffant, l’air se dilate (voir dilatation thermique) : sa masse volumique diminue, et la poussée d’Archimède exercée par l’air plus froid et plus dense le fait monter.

Comment la chaleur du Soleil traverse-t-elle le vide ?

Par rayonnement électromagnétique, qui n’a pas besoin de matière pour se propager. Ni la conduction ni la convection ne pourraient franchir l’espace.

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