Distinguer les trois modes de transfert thermique

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La conduction

A) Mise en évidence

Matériel :

une étoile à 4 branches de métaux différents ;

une bougie chauffe-plat ;

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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.

B) Description 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.

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Exemple

Le chauffage par plancher chauffant (contact avec les pieds).

La convection

A) Mise en évidence

Matériel :

un bécher ;

de l’huile ;

une plaque chauffante ;

de la craie rouge pilée.

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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.

B) Description 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.

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Exemple

Les radiateurs électriques (ou convecteurs).

Le rayonnement

A) Mise 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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B) Description 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. Quelle que soit sa température, un corps émet un rayonnement, plus ou moins intense selon cette 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

Comparatif 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).

On peut la mettre en évidence de la façon suivante : trois cylindres de métaux différents, munis de capteurs thermiques (thermomètres, thermomètres numériques ou ExAO), sont placés sur une plaque chauffante. On constate des montées en température différentes, en conformité avec les conductivités thermiques respectives.

Selon l’usage qu’on leur destine (isolation thermique ou au contraire conduction de la chaleur), il est préférable d’utiliser certains matériaux plutôt que d’autres en fonction de leur conductivité.

Le tableau suivant donne le classement de quelques matériaux, du meilleur conducteur thermique au plus isolant.

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Remarque

Le diamant est un cas particulier, avec une conductivité de 1 000 à 2 500 W/m.K.