Les transferts de chaleur
Apprends les différentes manières dont la chaleur peut se transférer (baza178, iStockphoto)
Apprends les différentes manières dont la chaleur peut se transférer (baza178, iStockphoto)
Quels sont les liens avec mon programme d'études?
Apprends les différentes manières dont la chaleur peut se transférer.
Qu’est-ce que la chaleur?
Pense à toutes les façons dont tu peux réchauffer quelque chose. Tu peux faire bouillir de l'eau sur le poêle, te frotter les mains rapidement ou te tenir devant un feu. Mais qu'est-ce que la chaleur?
La chaleur est liée à l'énergie thermique. L'énergie thermique provient du mouvement de minuscules particules à l'intérieur de toute matière. Tous les solides, liquides et gaz sont constitués de petites particules, tels les atomes et les molécules. Ces particules ont une énergie cinétique et sont en mouvement constant. Lorsque ces particules se déplacent plus rapidement, la quantité d'énergie thermique augmente.
La chaleur est en fait de l'énergie thermique qui se déplace d'un endroit à un autre. La chaleur circule des objets plus chauds vers les objets plus froids. Comme la chaleur est une forme d'énergie, elle se mesure en joules ou parfois en calories.
Attention aux fausses idées!
Les objets ne contiennent pas de chaleur. Ils contiennent de l’énergie thermique.
Alors, quelle est la différence entre la chaleur et la température? La température nous indique si quelque chose est chaud ou froid. La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne d'un objet. En gros, c'est une mesure du mouvement moyen des particules d'un objet. La température est mesurée en degrés Celsius, degrés Fahrenheit, ou en utilisant l'échelle Kelvin. La température et la chaleur sont liées. La chaleur est la circulation d'énergie thermique entre des objets ayant des températures différentes.
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L’illustration en couleur montre un chaudron sur le brûleur d’une cuisinière. Le chaudron est rouge vif. Il est ouvert, et de la vapeur s’en échappe. Sur la face avant, on peut lire : « La température représente à quel point un objet est chaud ou froid ». Le chaudron est posé sur un support noir au-dessus d’un brûleur à cinq flammes. En dessous, dans un encadré gris, on peut lire : « La chaleur est transférée à un objet. Par exemple, la flamme du poêle "chauffe" le chaudron ».
Le savais-tu
Une calorie est la quantité d'énergie nécessaire pour augmenter la température d'un gramme d'eau de 1 degré Celsius. L'énergie contenue dans les aliments que tu manges est mesurée en calories.
Comment la chaleur est-elle transférée?
As-tu déjà tenu une tasse de chocolat chaud après avoir été dehors dans le froid? Tenir une tasse chaude te donne la sensation d'avoir les mains plus chaudes. Ce que tu ressens est le transfert de chaleur d'un objet à un autre, ou transfert thermique. L'énergie thermique du chocolat chaud est transférée à tes mains.
Lorsque deux objets ont des températures différentes, la chaleur est transférée. L'objet le plus froid devient plus chaud jusqu'à ce que les deux objets aient la même température. L'énergie thermique circule toujours de l'objet le plus chaud vers l'objet le plus froid.
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Voici un schéma en couleur illustrant le processus de transfert de chaleur. Le titre « Transfert de chaleur » est inscrit en lettres majuscules rouges. Sous le titre, on retrouve trois illustrations de deux thermomètres. Sous chaque paire de thermomètres, on retrouve une paire de carrés colorés. Sur la première illustration, à gauche, les deux carrés sont plutôt éloignés l’un de l’autre. Le carré de gauche est rouge et correspond à un « objet plus chaud ». Le premier thermomètre, qui correspond à la « température A », montre un liquide rouge qui atteint presque le sommet du thermomètre. Le carré de droite est bleu et correspond à un « objet plus froid ». Le thermomètre, qui correspond à la « température B », montre un liquide rouge, juste un peu supérieur au bas de la graduation du thermomètre. La deuxième illustration montre les carrés rapprochés qui se touchent. Une flèche blanche curviligne pointe du carré rouge vers le carré bleu. C’est le « transfert de chaleur ». Les thermomètres de cette illustration indiquent les mêmes températures que les thermomètres de la première illustration. La troisième illustration montre que les deux carrés sont passés au violet. Un texte indique : « les objets ont la même température ». Le liquide rouge des deux thermomètres indique la même température. L’illustration correspond à la « température C ».
La chaleur peut être transférée de trois façons :
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Conduction
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Convection
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Rayonnement
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Voici une illustration en couleur des trois types de transfert de chaleur qui se produisent à l’intérieur d’une bouilloire qui réchauffe sur une cuisinière. Au bas de l’illustration, des flammes bleues jaillissent d’un brûleur noir et rond. Des flèches rouges curvilignes s’étendent au-dessus des flammes dans toutes les directions. Certaines de ces flèches traversent le fond de la bouilloire. Ces flèches correspondent au « rayonnement thermique ». À l’intérieur de la bouilloire, l’eau bouillonne. Des petites flèches rouges curvilignes partent du fond de la bouilloire jusqu’à la surface de l’eau. Dans l’air au-dessus de l’eau, des petites flèches bleues curvilignes partent du haut vers le bas, dans l’eau. Des flèches rouges plus grandes partent du bec de la bouilloire et vont dans la même direction que la vapeur. Toutes ces flèches correspondent à la « convection ». D’autres flèches rouges pointent de l’intérieur de la bouilloire vers le long de la poignée. Les flèches sont rouges et passent près des parois de la bouilloire. Elles représentent la « conduction ».
La conduction
La conduction, c’est le transfert de chaleur entre des matériaux ou objets en contact direct les uns avec les autres. Les molécules dans l’objet plus chaud s’agitent plus rapidement que celles dans l’objet plus froid. Cela signifie que les molécules situées dans la partie la plus chaude d’un objet vibrent plus rapidement que celles situées dans les parties plus froides. Les molécules plus rapides entrent ainsi en collision avec les plus lentes, causant leur accélération. C’est de cette façon que l’objet se réchauffe. Par exemple, t'es-tu déjà assis sur un canapé et lorsque tu t’es levé, tu as remarqué que le siège était plus chaud? La chaleur de ta peau s’est transférée au canapé par la vibration des molécules.
La conduction peut aussi se produire à l’intérieur d’un même objet. Imagine un tisonnier en métal qu’on vient d’utiliser pour remuer les bûches dans un foyer. L’extrémité chaude du tisonnier qui est entré en contact avec la braise brûlante devient très chaude. L’énergie de cette extrémité cherchera à traverser la longueur de la tige par conduction, vers l’extrémité moins chaude. Éventuellement, la température sera la même d’un bout à l’autre de l’outil. Voilà pourquoi il est important d’enfiler un gant isolant avant de manipuler ce genre d’outil!
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L’illustration en couleur montre une personne tenant un morceau de métal sur des flammes. Une flèche pointe des flammes vers le métal. La flèche représente la « conduction ». La personne est montrée de dos, elle porte un long tablier brun et des gants gris. Les flammes se trouvent sur une surface à la hauteur de la taille de la personne. Elles jaillissent d’une grande structure en briques qui ressemble à un four. À droite, il y a un grand soufflet et un tonneau contenant d’autres tiges de métal.
Certains matériaux sont meilleurs que d'autres pour conduire la chaleur. Tu as peut-être remarqué cela en te promenant dans ta maison en hiver. As-tu déjà remarqué que tes pieds deviennent beaucoup plus froids en marchant sur la céramique de la salle de bain que sur le tapis? Cela se produit même si la céramique et le tapis ont la même température que ta maison. Cependant, la céramique est un bien meilleur conducteur que le tapis. Plus de chaleur circule de ton pied vers le sol quand tu marches sur de la céramique que sur un tapis.
La conductivité thermique est relative à la quantité de chaleur capable de se diffuser dans un matériau donné. Les métaux comme l’argent, le cuivre et l’aluminium dispersent bien la chaleur; on les appelle donc des conducteurs, par opposition aux matériaux tels le styromousse, la neige et la fibre de verre qui ne diffusent pas efficacement la chaleur, qu’on qualifie plutôt d’isolants. Ainsi, lorsqu’une maison est bien isolée, peu de son énergie thermique s’échappe à l’extérieur par conduction vers l’air extérieur. De nombreux objets du quotidien permettent également d'isoler de l'air comme les glacières, les bouteilles réutilisables et les sacs de couchage.
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Voici une illustration en couleur des différentes couches d’une bouteille isotherme. L’extérieur de la bouteille est orange et cylindrique. L’intérieur est plus petit et plus arrondi. La couche extérieure indique « Deux couches de métal ou de plastique ». L’espace orange pâle à l’intérieur représente l’« air entre l’intérieur et l’extérieur ». L’espace blanc entre les deux couches du récipient intérieur représente un « vide ». La surface grise à l’intérieur correspond à un « intérieur de métal ». À l’intérieur, une substance bleue représente le « liquide ». Sur le dessus de la bouteille, on retrouve un petit cylindre orange avec une poignée. Il s’agit du « capuchon ».
Le savais-tu?
Les chefs aiment utiliser des cuillères en bois parce que le bois n'est pas un bon conducteur de chaleur. Cela signifie que les cuillères chauffent moins rapidement que celles en métal et ils risquent moins de se brûler les mains.
La conduction se produit généralement dans les solides. Les particules dans les liquides ou les gaz sont plus éloignées les unes des autres que dans les solides. Les molécules de gaz et de liquide peuvent donc se déplacer plus facilement. Ainsi, les liquides et les gaz transfèrent plus souvent de la chaleur par convection.
Convection
La convection est un mouvement dans un gaz ou un liquide qui est causé par des différences de température. Ce mouvement transfère la chaleur dans le gaz et le liquide. Les molécules des liquides et des gaz sont plus éloignées les unes des autres et ont plus de place pour se déplacer que celles des solides. De ce fait, les molécules de liquide ou de gaz chauffées peuvent se déplacer physiquement. C'est différent de la conduction, où les molécules vibrent simplement plus rapidement.
Chauffer de l'eau dans une casserole sur un poêle est un exemple de convection. La chaleur est d’abord transférée par conduction du fond de la casserole aux molécules d'eau. Ces molécules commencent à se déplacer plus rapidement. L'eau chaude au fond de la casserole devient moins dense. Elle s'élève au-dessus de l'eau plus dense et plus froide. À mesure que l'eau monte, elle transporte l'énergie thermique vers le haut avec elle. L'eau plus froide prend sa place au fond de la casserole où elle est chauffée. Cela crée un cycle circulaire de transfert de chaleur. Ce schéma est connu sous le nom de convection.
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Voici un schéma en couleur illustrant le mouvement des molécules à l’intérieur d’une casserole d’eau bouillante. Le titre « Convection » est inscrit en lettres bleues en haut du schéma. L’illustration montre la coupe transversale d’une grande casserole contenant un liquide bleu pâle bouillonnant. La casserole se trouve sur un objet rond et noir duquel jaillissent des flammes. Dans le liquide, trois ovales montrent des flèches qui se déplacent dans le sens des aiguilles d’une montre entre la surface de l’eau et le fond de la casserole. Les flèches rouges se déplacent du bas vers le haut. Une grande flèche rouge qui pointe vers le haut indique que les flèches rouges correspondent aux « molécules plus chaudes ». Les flèches bleues se déplacent de la surface vers le fond. Une grande flèche bleue qui pointe vers le bas indique que les flèches bleues correspondent aux « molécules plus froides ».
La convection joue un rôle très important dans les vents et les courants océaniques. Par exemple, l'air au-dessus de la terre est généralement plus chaud que l'air au-dessus de l'océan. L'air plus chaud se réchauffe et s'élève. Il est ensuite remplacé par de l'air plus frais provenant du dessus de l'océan. Ce mouvement de l'air est vécu comme un vent.
Le rayonnement
Le rayonnement est le troisième type de transfert de chaleur. Contrairement à la convection et à la conduction, aucune matière n'est nécessaire pour le rayonnement. Le rayonnement thermique est le transfert d'énergie par ondes électromagnétiques. Les ondes électromagnétiques transportent l'énergie à travers l'espace. Le rayonnement thermique est la façon dont le Soleil chauffe la Terre. L'énergie du Soleil voyage sous forme d’ondes dans l'espace, et non à travers des atomes ou des molécules. D'autres objets chauds, tels qu'un grille-pain ou votre corps, émettent également de l'énergie thermique. Un micro-ondes utilise aussi un rayonnement pour réchauffer votre nourriture.
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Voici une illustration en couleur des ondes de rayonnement qui se déplacent du Soleil jusqu’à la surface de la Terre. Le Soleil et la Terre sont représentés sur fond spatial violet foncé et noir avec de minuscules étoiles brillantes. Le Soleil se trouve dans le coin supérieur gauche. C’est une sphère jaune qui brille en jaune et orange. La Terre est une sphère bleue. Les continents sont verts. L’atmosphère de la Terre est illustrée par une épaisse couche jaune, orange, rouge et violet autour de la planète. De longues flèches jaunes curvilignes s’étendent du Soleil jusqu’à la surface du globe. Elles pointent une face du globe, illuminant la côte ouest de l’Amérique du Nord.
Transfert de chaleur dans une maison
Le chauffage ou le refroidissement d'une maison est un exemple de ces trois processus de transfert de chaleur qui se produisent en même temps.
- La conduction peut réchauffer la maison en été. La chaleur de l’air extérieur est transférée dans la maison par les murs ou le toit. En hiver, elle la refroidit. La chaleur de l’air chaud à l’intérieur de la maison est transférée à l’extérieur par les murs ou le toit.
- Le phénomène de convection se produit dans chacune des pièces, alors que l’air plus chaud s’élève vers le plafond et que l’air plus frais revient vers le plancher. La convection explique en outre pourquoi il fait toujours plus au rez-de-chaussée qu’au sous-sol.
- Enfin, le rayonnement thermique transfère la chaleur du Soleil au toit de la maison, aux fenêtres, etc.
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Voici un schéma en couleur d’une maison. Des flèches indiquent comment la chaleur est transférée à l’intérieur et autour de la maison. La maison est petite et carrée. Elle est située au centre de l’illustration. Elle a une cheminée, un toit en pente orange et du gazon autour. Un coin est découpé pour montrer l’espace à l’intérieur. Le Soleil se trouve dans le coin supérieur gauche. Ses rayons sont longs et jaunes et atteignent la maison. Les rayons représentent le « rayonnement ». Trois flèches orange pointent de l’extérieur de la maison vers les murs et les fenêtres. Ces flèches illustrent la « conduction ». À l’intérieur de la maison, une flèche rouge curviligne part du plafond et descend le long du mur. Une flèche bleue curviligne part du sol et remonte le long du mur. Ces flèches illustrent la « convection ».
Nous faisons l'expérience de ces différentes formes de transfert de chaleur tous les jours. La compréhension de ces concepts peut conduire à des utilisations innovantes de l'énergie thermique. Par exemple, une adolescente canadienne a créé une lampe de poche alimentée par la chaleur de sa main. Qui sait quelles autres façons nous utiliserons nos connaissances sur la chaleur à l'avenir.
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Cette vidéo (1 min 36 s) de Profroques présente une expérience qui démontre de façon visuelle la convection .
Références
Campbell, A., Jenden, J., Lloyd, E., Tierney, M., Donev, M., (2017, August 29). Thermal Energy. University of Calgary Energy Education
NASA. (n.d.) Beat the Heat!
Perkins, S. (2016, September 30). Explainer: How heat moves. Science News for Students
University Corporation for Atmospheric Research, Centre for Science Education. (2018). Conduction.