La science du transfert de chaleur : Qu’est-ce que la conduction ?
La chaleur est une forme d’énergie intéressante. Non seulement elle entretient la vie, nous rend confortables et nous aide à préparer nos aliments, mais la compréhension de ses propriétés est essentielle dans de nombreux domaines de la recherche scientifique. Par exemple, savoir comment la chaleur est transférée et dans quelle mesure différents matériaux peuvent échanger de l’énergie thermique régit tout, de la construction de chauffages et de la compréhension des changements saisonniers à l’envoi de vaisseaux dans l’espace.
La chaleur ne peut être transférée que par trois moyens : la conduction, la convection et le rayonnement. Parmi ceux-ci, la conduction est peut-être le plus commun, et se produit régulièrement dans la nature. En bref, il s’agit du transfert de chaleur par contact physique. Il se produit lorsque vous appuyez votre main sur une vitre, lorsque vous placez une casserole d’eau sur un élément actif et lorsque vous placez un fer à repasser dans le feu.
Ce transfert se produit au niveau moléculaire – d’un corps à l’autre – lorsque l’énergie thermique est absorbée par une surface et amène les molécules de cette surface à se déplacer plus rapidement. Dans le processus, elles se heurtent à leurs voisines et leur transfèrent l’énergie, un processus qui se poursuit tant que la chaleur est encore ajoutée.
Le processus de conduction thermique dépend de quatre facteurs de base : le gradient de température, la section transversale des matériaux impliqués, leur longueur de parcours et les propriétés de ces matériaux.
Un gradient de température est une quantité physique qui décrit dans quelle direction et à quelle vitesse la température change dans un endroit spécifique. La température circule toujours de la source la plus chaude à la source la plus froide, du fait que le froid n’est rien d’autre que l’absence d’énergie thermique. Ce transfert entre les corps se poursuit jusqu’à ce que la différence de température diminue et qu’un état appelé équilibre thermique se produise.
La section transversale et la longueur du trajet sont également des facteurs importants. Plus la taille du matériau impliqué dans le transfert est grande, plus il faut de chaleur pour le réchauffer. De même, plus la surface exposée à l’air libre est importante, plus la probabilité de perte de chaleur est grande. Donc, des objets plus courts avec une section transversale plus petite sont le meilleur moyen de minimiser la perte d’énergie thermique.
En dernier lieu, mais certainement pas le moindre, il y a les propriétés physiques des matériaux impliqués. Fondamentalement, quand il s’agit de conduire la chaleur, toutes les substances ne sont pas créées égales. Les métaux et la pierre sont considérés comme de bons conducteurs puisqu’ils peuvent transférer rapidement la chaleur, tandis que des matériaux comme le bois, le papier, l’air et le tissu sont de mauvais conducteurs de chaleur.
Ces propriétés conductrices sont évaluées en fonction d’un « coefficient » qui est mesuré par rapport à l’argent. À cet égard, l’argent a un coefficient de conduction thermique de 100, alors que d’autres matériaux sont classés plus bas. Il s’agit notamment du cuivre (92), du fer (11), de l’eau (0,12) et du bois (0,03). À l’extrémité opposée du spectre se trouve un vide parfait, qui est incapable de conduire la chaleur, et est donc classé à zéro.
Les matériaux qui sont de mauvais conducteurs de chaleur sont appelés isolants. L’air, dont le coefficient de conduction est de 0,006, est un isolant exceptionnel car il est capable d’être contenu dans un espace clos. C’est pourquoi les isolants artificiels utilisent des compartiments d’air, comme les fenêtres en verre à double vitrage qui sont utilisées pour réduire les factures de chauffage. Fondamentalement, ils agissent comme des tampons contre la perte de chaleur.
La plume, la fourrure et les fibres naturelles sont toutes des exemples d’isolants naturels. Ce sont des matériaux qui permettent aux oiseaux, aux mammifères et aux êtres humains de rester au chaud. Les loutres de mer, par exemple, vivent dans des eaux océaniques souvent très froides et leur fourrure luxueusement épaisse les garde au chaud. D’autres mammifères marins comme les otaries, les baleines et les pingouins comptent sur d’épaisses couches de graisse (alias le lard) – un très mauvais conducteur – pour empêcher la perte de chaleur par leur peau.
Cette même logique est appliquée à l’isolation des maisons, des bâtiments et même des vaisseaux spatiaux. Dans ces cas, les méthodes impliquent des poches d’air piégées entre les murs, de la fibre de verre (qui emprisonne l’air en son sein) ou de la mousse haute densité. Les vaisseaux spatiaux constituent un cas particulier et utilisent une isolation sous forme de mousse, de matériau composite en carbone renforcé et de tuiles en fibre de silice. Tous ces matériaux sont de mauvais conducteurs de chaleur, et empêchent donc la chaleur de se perdre dans l’espace et empêchent également les températures extrêmes causées par la rentrée atmosphérique de pénétrer dans la cabine de l’équipage.
Voir cette démonstration vidéo des tuiles thermiques de la navette spatiale:
Les lois qui régissent la conduction de la chaleur sont très similaires à la loi d’Ohm, qui régit la conduction électrique. Dans ce cas, un bon conducteur est un matériau qui permet au courant électrique (c’est-à-dire aux électrons) de le traverser sans trop de problèmes. Un isolant électrique, en revanche, est tout matériau dont les charges électriques internes ne circulent pas librement, et rendent donc très difficile la conduite d’un courant électrique sous l’influence d’un champ électrique.
Dans la plupart des cas, les matériaux qui sont de mauvais conducteurs de chaleur sont également de mauvais conducteurs d’électricité. Par exemple, le cuivre est bon conducteur de la chaleur et de l’électricité, d’où la raison pour laquelle les fils de cuivre sont si largement utilisés dans la fabrication de l’électronique. L’or et l’argent sont encore meilleurs, et lorsque le prix n’est pas un problème, ces matériaux sont également utilisés dans la construction de circuits électriques.
Et lorsqu’on cherche à « mettre à la terre » une charge (c’est-à-dire à la neutraliser), on l’envoie par une connexion physique à la Terre, où la charge est perdue. Cela est courant avec les circuits électriques où le métal exposé est un facteur, assurant que les personnes qui entrent accidentellement en contact ne sont pas électrocutées.
Les matériaux isolants, tels que le caoutchouc sur les semelles des chaussures, sont portés pour assurer que les personnes travaillant avec des matériaux sensibles ou autour de sources électriques sont protégées des charges électriques. D’autres matériaux isolants comme le verre, les polymères ou la porcelaine sont couramment utilisés sur les lignes électriques et les transmetteurs d’énergie à haute tension pour que le courant continue à circuler dans les circuits (et rien d’autre !)
En bref, la conduction se résume au transfert de chaleur ou au transfert d’une charge électrique. Les deux se produisent en raison de la capacité d’une substance à permettre aux molécules de transférer de l’énergie à travers eux.
Nous avons écrit de nombreux articles sur la conduction pour Universe Today. Consultez cet article sur la première loi de la thermodynamique, ou celui-ci sur l’électricité statique.
Si vous voulez plus d’infos sur la conduction, consultez l’article de la BBC sur le transfert de chaleur, et voici un lien vers The Physics Hypertextbook.
Nous avons également enregistré un épisode entier d’Astronomy Cast sur le magnétisme – Épisode 42 : Magnetism Everywhere.