La chaleur, mode de transfert d’énergie, peut se propager sous trois formes : la conduction, la convection et le rayonnement. Certains matériaux sont de meilleurs conducteurs thermiques que d’autres.
9Distinguer les trois modes de transfert thermique
1La conduction
AMise en évidence
- Matériel : une étoile à 4 branches de métaux différents, une bougie chauffe-plat, de la paraffine posée aux extrémités des lames.
- On allume la bougie. On observe le comportement de la paraffine et on constate que celle-ci ne fond pas au même moment suivant les métaux. La chaleur se propage à différentes vitesses.
Ce mode de transfert de la chaleur est la conduction. -
BDescription qualitative
La conduction est spécifique aux solides. Le transfert se fait par contact. Elle est due à la diffusion progressive de l’agitation thermique dans la matière, sans déplacement de celle-ci : un atome (ou une molécule) cède une partie de son énergie cinétique à l’atome voisin.
Exemple :
Le chauffage par plancher chauffant (contact avec les pieds).
2La convection
AMise en évidence
- Matériel : un bécher, de l’huile, une plaque chauffante, de la craie rouge pilée.
- On met la craie dans l’huile. Celle-ci se dépose sur le fond. On allume la plaque chauffante. L’huile chauffe et on observe un mouvement du liquide chaud qui remonte, entrainant la craie vers le haut. Ce mode de transfert de la chaleur est la convection.
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BDescription qualitative
La convection, spécifique aux fluides (gaz, liquides), est un transfert thermique qui accompagne les déplacements macroscopiques de la matière. La densité du fluide chaud baisse avec l’augmentation de température. Le fluide chaud a tendance à s’élever et le froid à descendre, ce qui provoque des courants ascendants ou descendants (exemple : radiateurs électriques ou convecteurs).
3Le rayonnement
AMise en évidence
- Matériel : 2 thermomètres numériques, une lampe, un isolant.
- Après avoir allumé la lampe, on observe une montée en température différente sur les deux thermomètres. Ce mode de transfert de la chaleur est le rayonnement.
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BDescription qualitative
Le rayonnement électromagnétique ne nécessite pas obligatoirement de milieu matériel, car il se propage aussi dans le vide. Il correspond à la propagation de photons. Un corps émet un rayonnement plus ou moins intense selon sa température. La longueur d’onde à laquelle est émise ce rayonnement dépend aussi de cette température. Il est souvent associé à l’infrarouge.
Exemple :
Le chauffage radiant ou rayonnant : une plaque est portée à très haute température, elle émet dans l’infrarouge qui se propage dans toutes les directions et transmet sa chaleur aux objets.
4Comparatif de matériaux
La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert thermique par conduction. Autrement dit, elle définit la capacité d’un matériau à transmettre la chaleur. Elle est notée λ (« lambda ») et exprimée en watt par mètre-kelvin (W.m-1.K-1 ou W/m/K).