On définit le transfert de chaleur comme la transmission d'un flux d'énergie sous forme de chaleur d'un corps à un autre. Il existe différents mécanismes de transfert de chaleur, mais dans tous, la chaleur se déplace du corps chaud au corps froid selon la deuxième loi de la thermodynamique.
La transmission de chaleur joue un rôle crucial pour le développement de la vie sur Terre. Nous trouvons de nombreux exemples de transfert de chaleur dans notre vie quotidienne. De même, il est également très important dans de nombreux processus industriels.
Mécanismes de transfert de chaleur
Il existe trois types de transfert de chaleur : conduction, convection et rayonnement :
- Transfert par conduction : La conduction thermique se produit lorsque deux objets à températures différentes sont en contact direct. La chaleur passe de l’objet chaud à l’objet froid en passant par les points de contact.
- Transfert par rayonnement thermique : Ce mécanisme de transmission de chaleur se produit par le biais d'ondes électromagnétiques et peut être transmis par le vide. La quantité de chaleur transférée dépend de la longueur d'onde. C'est ainsi que le rayonnement solaire traverse le système solaire.
- Transmission de chaleur par convection : Le processus de convection s'effectue à travers un milieu intermédiaire qui transporte de l'énergie, normalement des liquides et des gaz comme l'air ou l'eau.
Transmission par conduction
Le transfert par conduction se produit lorsque deux substances sont en contact direct et qu’il existe une différence de température.
La chaleur circule des particules ayant une énergie cinétique (température) plus élevée vers des particules moins riches en énergie (plus froides). Le flux de chaleur dépend de la différence de température sur la distance (le gradient de température) et de la résistance interne au flux de chaleur du matériau concerné, appelée conductivité thermique ou coefficient de conductivité thermique. Ce principe est exprimé dans la loi de Fourier.
Exemple de conduction thermique
Un exemple de transfert de chaleur par conduction est lorsque nous touchons un morceau de glace avec notre main. Le froid que nous ressentons est dû au fait que nous transférons la chaleur de notre corps vers la glace.
Transmission des rayonnements
Transfert d'énergie thermique par rayonnement. Il s’agit du transfert de chaleur entre deux corps qui ne sont pas en contact l’un avec l’autre sans utiliser d’intermédiaire. Un corps est chaud et émet donc beaucoup de rayonnement électromagnétique et perd donc de la chaleur, tandis que l'autre corps absorbe une partie du rayonnement entrant et le convertit en chaleur.
Exemple de transfert de chaleur par rayonnement
Un exemple de transmission de rayonnement est le rayonnement ultraviolet provenant du Soleil. L’énergie solaire est transmise à travers l’espace par le biais d’ondes électromagnétiques.
Transmission par convection
Le transfert de chaleur par convection est le transfert de chaleur par déplacement d'un liquide chaud ou d'un gaz chaud, ou d'un liquide froid ou d'un gaz froid. Lorsque la chaleur entraîne le flux, l’étendue du flux peut être exprimée par le coefficient de transfert de chaleur.
Il existe deux types de convection thermique :
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La convection naturelle se produit sans aucune aide artificielle. Le mouvement du fluide est produit par des différences de densité dues à la différence de température.
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La convection forcée se produit lorsque le mouvement du fluide est effectué par un mécanisme artificiel tel qu'une pompe à eau.
Exemple de transfert de chaleur par convection
Un exemple de transfert de chaleur par convection est le fonctionnement d’un ventilateur. Lorsque le ventilateur fonctionne, l'air en circulation évacue l'air chaud qui est en contact avec la peau et le remplace par de l'air plus frais.
Un autre exemple de convection se produit dans une douche chaude. Le radiateur électrique chauffe l'eau en augmentant son énergie thermique. L'eau chaude circule dans les tuyaux jusqu'à atteindre la douche, elle tombe sur nous en transmettant la chaleur.
Lois connexes de la physique et de la thermodynamique
Le transfert de chaleur est régi par plusieurs lois fondamentales de la physique et de la thermodynamique.
Tout d'abord, nous mettons en évidence la loi de conduction thermique de Fourier qui décrit comment la chaleur se propage à travers un matériau solide. Plus la différence de température entre deux points est grande, plus le taux de transfert de chaleur est élevé.
La convection, un autre mécanisme de transfert de chaleur, suit les lois de la physique des fluides, où la densité et la température du fluide affectent le transfert de chaleur.
Enfin, le rayonnement thermique est régi par la loi de Stefan-Boltzmann qui stipule que le taux de rayonnement est proportionnel à la puissance quatre de la température absolue.