Transferts thermiques, flux thermique, résistance thermique

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 brulant 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.

Remarque : l’étude de la convection est faisable, notamment via des équations de thermique, mais qui ne sont pas au programme.

Rayonnement
Tout corps émet un rayonnement thermique, le rayonnement du corps noir (voir cours 1ère S). 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 1000 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 , où S est la surface émettrice du corps (en ), T sa température en K et 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.

Les formules vues dans la partie 2 sont utilisées pour étudier l’isolation thermique des bâtiments. En effet, la mesure des flux thermiques s’échappant d’une habitation permet de proposer des solutions pour optimiser son isolation thermique. La consommation d’énergie due au chauffage est d’ailleurs liée à la qualité d’isolation thermique d’un local.

En utilisant la relation , on déduit que pour éviter des pertes de chaleur, à donné (inévitable en hiver), il faut maximiser .
Puisque et comme S est fixe (surface des murs, plafonds …), on agit sur les deux autres paramètres. On peut augmenter e, mais dans une certaine mesure.

L’isolation thermique concerne ainsi des matériaux de faibles conductivités thermiques . Ils utilisent notamment les propriétés isolantes de l’air ( très faible), en l’emprisonnant dans leur structure. Exemple : laine de roche, laine de verre, etc. La neige est d’ailleurs un bon isolant thermique naturel car elle contient une grande quantité d’air.

Le double vitrage des fenêtres fonctionne également sur ce principe : une lame d’air est piégée entre deux lames de verre. Comme la lame d’air est assez fine pour éviter la convection, elle constitue un puissant isolant thermique. La  de la fenêtre est calculée par sommation des résistances thermiques des trois lames, comme vu au 2.b.