Les transferts de chaleur

La conduction

La conduction est définie comme étant le mode de transmission de la chaleur (ou l’échange d’énergie interne) provoquée par la différence de température entre deux régions d’un milieu solide, liquide ou gazeux ou encore entre deux milieux en contact physique. (gradient de température dans un milieu).Dans la plupart des cas on étudie la conduction dans le milieux solides, puisque dans les milieux fluides (c’est-à-dire liquide ou gazeux), il y a souvent couplage avec un déplacement de matière et donc mécanisme de convection. La conduction est le seul mécanisme intervenant dans le transfert de chaleur dans un solide homogène, opaque et compact. La conduction s’effectue de proche en proche :
Si on chauffe l’extrémité d’un solide il y a transfert progressif.
Si on coupe le solide, on stoppe le transfert.
Exemple : Barre de métal chauffée à l’une de ces extrémités. On comprend donc intuitivemment que la conduction a une origine microscopique. Il s’agir d’un mécanisme de diffusion de la chaleur.

Le rayonnement

Le rayonnement thermique peut être considéré comme un cas particulier du rayonnement électromagnétique. L’exemple le plus simple est celui du rayonnement solaire. Le rayonnement thermique est le mode de transmission par lequel la chaleur passe d’un corps à haute température à un autre plus froid sans nécessité de support matériel. C’est donc le seul mode de transfert de chaleur qui peut se propager dans le vide. Le rayonnement thermique ne diffère des autres ondes électomagnétiques, comme les ondes hertziennes par exemple, que par son origine : la température. En effet tout corps rayonne tant que sa température est différente de 0K. Le rayonnement thermique est un phénomène de surface.

La convection

La convection est le mode de transmission qui implique le déplacement d’un fluide gazeux ou liquide (écoulement) et échange avec une surface qui est à une température différente. Exemple : C’est ce qui se passe le long d’un radiateur. L’air froid s’échauffe au contact avec le radiateur, se dilate et monte sous l’effet de la poussée d’Archimède. Il est alors remplacé par de l’air froid et ainsi de suite ; il ya existence de courants de fluide dans l’air ambiant. On distinguera la convection forcée (due à l’action d’une pompe, ventilateur…) de la convection naturelle dans laquelle le mouvement du fluide est créé par des différences de densité, elles mêmes provoquées par des différences de températue.

LA CONDUCTION
Origine microscopique du mécanisme de conduction

Rappelons que la conduction nécessite un support matériel et que son origine est microscopique, liée aux atomes et aux molécules du milieu où se produit la conduction. La conduction peut être vue comme le transfert d’énergie de particules les plus énergétiques vers les particules les moins énergétiques, à cause des interactions entre particules.
Description simplifiée du mécanisme physique
Exemple : gaz sans mouvement d’ensemble (pas de convection).Prenons un gaz contenu entre deux surfaces à T1 et T2 avec T1 > T2. Dans un modèle moléculaire simple (théorie cinétique des gaz parfaits – distribution de Maxwell) :
où v désigne la vitesse quadratique moyenne d’agitation des molécules sous la seule action de la température T.
k est la constante de Boltzmann (k=1.38 10-23 J.K-1) et m la masse d’un atome ou d’une molécule. Les molécules en mouvement près de T1 ont la température T1.Les molécules en mouvement près de T2 ont la température T2.Une énergie plus grande est par conséquent associée à une température plus grande. Au moment des collisions qui sont incessantes, il y a transfert d’énergie des molécules les plus énergétiques vers les moins énergétiques, des plus rapides vers les moins rapides, c’est-à-dire des plus hautes températures vers les plus basses. Si l’on considère un plan fictif d’abscisse x0 dans le gaz (voir figure), des molécules traverse continûment la surface dans un sens ou dans l’autre. Mais les molécules du dessus ont une énergie plus grande car la température est plus élevée, il se produit ainsi un transfert net dans le sens des x>0 par mouvement aléatoire des molécules. Il s’agit d’un processus de diffusion d’énergie .Pour un liquide le modèle est à peu près le même avec des interactions plus fortes.