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 thermiques | Mauvais conducteurs (isolants thermiques) |
|---|---|
| Cuivre, aluminium, argent, fer | Air 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
| Mode | Milieu nécessaire | Déplacement de matière | Exemple |
|---|---|---|---|
| Conduction | Solide surtout (aussi liquide, gaz) | Non | Manche de cuillère qui chauffe |
| Convection | Fluide (liquide ou gaz) | Oui | Air chaud au-dessus d’un radiateur |
| Rayonnement | Aucun (traverse le vide) | Non | Chaleur 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.
- Fixer une bille de cire à l’extrémité haute de chaque tige.
- Plonger l’autre extrémité dans l’eau chaude.
- 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.
- Conduction, dans le métal puis vers la main.
- Rayonnement infrarouge.
- Convection : les gaz chauds, moins denses, s’élèvent.
- 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.