Cours de tleS sur les transferts thermiques – Terminale
Les objectifs de ce chapitre : Décrire les trois types de transferts thermiques : conduction, convection et rayonnement. Ensuite, pour la conduction, introduire les notions de flux, de résistance et de conductivité thermique. Parler de l’isolation thermique d’une habitation.
Modes de transfert thermique
On distingue trois modes de transfert thermique entre deux systèmes : la conduction (transfert par contact), la convection (transfert par mouvement de fluide), le rayonnement (transfert par onde électromagnétique).
Conduction:
Un mode de propagation de la chaleur est la conduction. Cela concerne particulièrement les solides. Au sein du matériau, l’agitation thermique (voir fiche sur l’énergie interne) se transmet de proche en proche. L’idée importante est que la chaleur se propage sans transport de matière. En principe, le matériau n’est pas endommagé par ce phénomène, sauf chauffage extrême (fusion du matériau).
Certains matériaux, comme les métaux, ont la propriété de conduire facilement la chaleur. Par exemple, un tisonnier laissé dans la cheminée au contact des flammes sera brûlant même au niveau de l’extrémité non exposées au feu. D’autres matériaux, au contraire, laissent difficilement passer la chaleur : ce sont des isolants thermiques. Par exemple, le plastique.
Convection:
La convection résulte d’un transfert thermique par mise en mouvement de la matière. Cela concerne les fluides : liquide, gaz, et plasma (ce dernier cas ne sera pas abordé).
La convection s’observe quand on fait bouillir de l’eau dans une casserole. L’eau, chauffée par le fond de l’ustensile, se dilate puis s’élève dans la casserole où elle va progressivement céder sa chaleur. En parallèle, l’eau plus froide en surface va descendre en longeant les parois latérales. Une fois au fond, elle est chauffée, remonte, etc. Il en résulte un déplacement collectif des molécules d’eau, effectuant ces mouvements de convection.
Des chauffages électriques aspirant l’air froid et rejetant de l’air chaud sont d’ailleurs nommés convecteurs. Le manteau terrestre est un fluide très visqueux subissant également la convection, mais à des vitesses nettement plus lentes, d’une dizaine de centimètres par an.
Rayonnement:
Tout corps émet un rayonnement thermique, le rayonnement du corps noir (voir cours Première). La loi de Wien établit le lien entre la température T (en K) du corps et la longueur d’onde qu’il émet le plus dans le spectre électromagnétique rayonné. Le rayonnement du corps noir est visible dès que sa température dépasse les 1 000 K.
Le transfert thermique par rayonnement est basé sur ce rayonnement du corps noir. Le rayonnement électromagnétique émis emporte en effet de l’énergie.
Il peut voyager dans le vide, à une célérité. Le Soleil transmet ainsi à la Terre une puissance surfacique de l’ordre de .
La loi de Stefan Boltzmann (pas au programme) établit que la puissance P (en W) rayonnée par un corps noir parfait est :
S : Est la surface émettrice du corps (en m2)
T : La température en K.
σ : Est la constante de Stefan-Boltzmann. .
Remarque : dans la pratique, il est courant qu’un transfert thermique fasse intervenir simultanément plusieurs des trois modes. Exemple : l’eau chaude qui rentre dans un radiateur chauffe celui-ci par conduction. Le radiateur chauffe alors la pièce par convection de l’air.
Etude de la conduction thermique
Flux thermique
Considérons un matériau homogène, dont la forme est celle d’une plaque ou d’un cylindre de faible épaisseur e (en m). Ses deux faces opposées ont chacune une surface S (en m2). Si ces faces sont à des températures T1 et T2 différentes, avec T1> T2, un transfert de chaleur s’opère de la source chaude vers la source froide. Ce transfert est irréversible : le système évolue spontanément d’un état initial vers un état final, sans avoir la possibilité de revenir naturellement à son état initial. Il ne peut pas y avoir de transfert thermique spontané d’une source froide vers une source chaude.
On définit le flux thermique Ф (en W) comme la puissance (thermique) transférée à travers le matériau.
Sa valeur est reliée à la quantité de chaleur transférée Q (en J) pendant une durée ∆t (en s) :
En régime permanent (flux constant en fonction du temps), la valeur du flux Ф est proportionnelle à la différence de température. En négligeant les pertes sur les faces latérales, le flux est conservé (conservation de l’énergie). Aussi, il est uniforme dans le matériau, car celui-ci est homogène. D’autre part, la température diminue de manière linéaire au sein du matériau selon x, en variant de T1 à T2 .
