Chaleur : environnements extérieurs et intérieurs

Qu’est-ce que la chaleur?

La chaleur est de l’énergie thermique qui circule entre des objets ayant différentes températures. La chaleur se déplace des objets dont la température est plus élevée vers ceux dont la température est plus basse. La chaleur et la température sont liées, mais ce n’est pas la même chose.

• La température est la quantité d’énergie thermique que possède une chose.
• La chaleur est le transfert d’énergie thermique entre les choses.

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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 ».

Pourquoi la chaleur est-elle importante pour les êtres vivants?

Les êtres vivants ont besoin de chaleur pour survivre. Mais pourquoi?

De nombreux processus vitaux impliquent des réactions chimiques. La photosynthèse chez les plantes en est un exemple. Elle fonctionne le mieux entre 10 et 34 °C. Au-delà de cette plage, la vitesse de réaction est beaucoup plus faible.

Chaque type d’être vivant a une plage de température optimale. La plupart ne peuvent survivre longtemps à des températures inférieures à 0 °C. À des températures plus basses que celle-ci, l’eau dans les cellules commence à geler. La plupart ne peuvent pas non plus survivre longtemps à des températures supérieures à 45 °C. À des températures plus élevées que celle-ci, les protéines dans les cellules commencent à se dégrader.

Essaie ceci!

Lorsque tu fais cuire un œuf, tu peux voir le blanc d’œuf passer de transparent à blanc. C’est la preuve que la protéine s’est dégradée.

Certains êtres vivants produisent leur propre chaleur. On les appelle les endothermes. Les humains et d’autres mammifères sont des endothermes. D’autres tirent une grande partie de leur chaleur de l’environnement. On les appelle les ectothermes. Les reptiles et les amphibiens sont des ectothermes. Les endothermes et les ectothermes sont affectés par les changements de température de leur environnement.

La chaleur à l’extérieur

Sur Terre, la chaleur provient de nombreuses sources d’énergie thermique. Celles-ci incluent le Soleil, le noyau de la Terre et les réactions chimiques.

Le Soleil

Le Soleil est la principale source d’énergie thermique sur Terre. Il libère de l’énergie thermique lorsque les atomes d’hydrogène se combinent pour former des atomes d’hélium dans son noyau. Ce processus est appelé la fusion nucléaire. Une partie de l’énergie traverse le système solaire jusqu’à la Terre. L’énergie réchauffe l’atmosphère et est à l’origine des conditions météorologiques. Elle réchauffe également les océans et est à l’origine des courants océaniques. Les gens convertissent l’énergie solaire en d’autres formes d’énergie comme l’électricité.

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Une illustration en couleur montre des boucles de lumière jaune jaillissant de la surface du Soleil. La forme courbe du Soleil apparaît sur le côté gauche de l’image. Sa surface est tachetée de rouge et d’orange. Du jaune brille sous celle-ci. En quelques points, du jaune vif émerge de la surface. Au-dessus de ceux-ci, des éclats de lumière jaune vaporeuse peuvent être vus contre la noirceur de l’espace.

Le savais-tu?

Le Soleil fournit la majeure partie de la chaleur sur Terre. Seulement environ 0,03 % provient d’autres sources.

La partie interne de la Terre

La Terre a aussi sa propre source d’énergie. Elle provient de son noyau. Le noyau contient des matières radioactives. Ces matériaux instables libèrent de la chaleur à mesure qu’ils se stabilisent. Cette énergie provenant de l’intérieur de la Terre est appelée énergiegéothermique. L’énergie géothermique est à l’origine des tremblements de terre. C’est aussi cette énergie qui est à l’origine de la formation des volcans et des montagnes.

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Une illustration en couleur montre la Terre découpée pour révéler le noyau ardent.
La Terre est représentée dans l’espace noir. Une portion triangulaire est découpée, de la surface vers le centre. La découpe révèle les différentes couches à l’intérieur de la Terre. Les couches vont du rouge profond près de la surface au blanc jaunâtre brillant au niveau du noyau.

Les réactions chimiques

L’énergie est stockée dans les liaisons des molécules. Elle est libérée par des réactions chimiques. Certaines réactions chimiques produisent de l’énergie thermique. On appelle cela des réactions chimiques exothermiques. Par exemple, lorsque le bois brûle, il dégage de la chaleur. Le brûlage est un type de réaction chimique que nous appelons combustion.

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Une photographie en couleur montre des flammes léchant des bûches carbonisées.
La seule lumière dans la photographie provient du feu. Les flammes sont chaudes et rougeoyantes sur un fond sombre. Elles révèlent les formes d’un tas de bûches noires et grises calcinées.

Essaie ceci!

Cette activité pratique te permet de faire l’expérience d’une réaction chimique exothermique.

Quel est le lien entre la chaleur et les changements climatiques?

Tout sur Terre absorbe et réfléchit l’énergie provenant du Soleil. Les surfaces de couleur pâle, comme la neige, la glace et les nuages, réfléchissent plus d’énergie qu’elles n’en absorbent. Les surfaces de couleur foncée, comme les forêts et les océans, absorbent plus d’énergie qu’elles n’en réfléchissent. La façon dont les systèmes terrestres absorbent et réfléchissent l’énergie est appelée bilan énergétique de la Terre.

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Une infographie en couleur montre les façons dont l’énergie est absorbée et réfléchie sur Terre.
Le titre « Bilan énergétique de la Terre » est écrit en gros caractères blancs dans le haut. Sur la gauche, un cercle orange représente le Soleil. Dans le bas, la Terre est représentée comme une courbe beige. En arrière-plan, le ciel passe du bleu foncé dans le haut au bleu clair près de la Terre. Deux nuages blancs floconneux flottent au-dessus de la surface de la Terre. Sur la gauche, une note se lie « 100 unités équivaut à 342 W ∙ m-2 ».
Une large flèche jaune pointe vers le bas depuis le Soleil vers la Terre. Celle-ci est étiquetée « Énergie solaire entrante 100 ». Cette flèche est divisée en quatre pointes. La pointe la plus grosse pénètre sous la surface de la Terre. Celle-ci est étiquetée « Absorbée par la surface 49 ». Une pointe plus petite est orientée vers le haut de l’illustration. Celle-ci est étiquetée « Réfléchie par l’atmosphère et les nuages 22 ». Une pointe légèrement plus étroite s’étend horizontalement de la flèche principale jusqu’aux nuages situés tout près. Elle est de couleur orange et étiquetée « Absorbée par l’atmosphère 20 ». Une pointe encore plus étroite rebondit sur la Terre et remonte. Celle-ci est étiquetée « Réfléchie par la surface 9 ».
À partir des nuages, une large flèche rose pointe vers le bas vers la Terre. Celle-ci est étiquetée « Chaleur rayonnée vers la surface depuis les nuages et l’atmosphère 95 ». Une flèche rose plus étroite pointe vers le haut. Elle est étiquetée « Chaleur rayonnée vers l’espace depuis les nuages et l’atmosphère 57 ».

À partir de la Terre, une courte flèche orange pointe vers le haut vers les nuages. Celle-ci est étiquetée « Convection et formation de vapeur d’eau 30 ». Deux larges flèches roses superposées pointent vers le haut. La plus courte est étiquetée « Chaleur rayonnée depuis la surface 114 ». La plus longue est rose foncé et courbée vers les nuages. Elle est étiquetée « Chaleur absorbée par les gaz à effet de serre et les nuages 102 ». Enfin, une flèche rose haute et étroite pointe vers le haut depuis la Terre jusque dans le haut de l’illustration. Celle-ci est étiquetée « Chaleur rayonnée vers l’espace depuis la surface 12 ».

Environ la moitié de l’énergie provenant du Soleil est absorbée par les terres et les océans. Une partie de l’énergie solaire restante est réfléchie par l’atmosphère et les nuages. Une partie est réfléchie par la surface. Et une partie est absorbée par l’atmosphère.

La surface de la Terre transfère de l’énergie dans l’air par convection. Elle transforme également de l’eau liquide en vapeur d’eau. La plupart de l’énergie rayonne sous forme de chaleur depuis la surface vers l’espace. La majeure partie de la chaleur est absorbée par les gaz à effet de serre et les nuages. La chaleur est ensuite renvoyée par rayonnement vers la Terre. Ce cycle de la chaleur remontant vers l’atmosphère puis redescendant vers la Terre est appelé effet de serre. L’effet de serre est un élément important du réchauffement de la planète et des changements climatiques.

Le savais-tu?

La température moyenne sur Terre en 2023 était de 14,98 °C. Les températures sur Terre peuvent varier beaucoup selon l’emplacement.

La chaleur à l’intérieur

De nombreux êtres vivants ont besoin d’être protégés de l’environnement. Cela s’appelle un abri. Les gens utilisent les abris pour se sentir confortables. Les gens ont souvent besoin de réchauffer ou de refroidir l’air à l’intérieur des abris. Il existe de nombreuses façons de procéder.

Dans les climats plus froids, les abris ont souvent besoin de chaleur supplémentaire pour garder les gens au chaud. Cette chaleur peut provenir de différentes sources. Et elle peut être transférée de différentes manières.

Le chauffage par rayonnement

Beaucoup de bâtiments utilisent la chaleur rayonnante. Il s’agit de la chaleur qui est transférée par les ondes électromagnétiques. Lorsque tu sens la chaleur provenant d’un feu, c’est une chaleur rayonnante. Dans les bâtiments, tu peux sentir le chauffage provenant de plinthes chauffantes et de panneaux de plafond rayonnants. Ceux-ci dégagent de la chaleur à partir des résistances. Leur source d’énergie est l’électricité. Contrairement à certains types de systèmes de chauffage, ceux-ci ne produisent que de la chaleur. Ils n’éliminent pas la chaleur.

Les radiateurs à eau chaude et à vapeur dégagent de la chaleur en utilisant l’eau qui les traverse. L’eau est chauffée dans une chaudière dans une partie d’un bâtiment et envoyée par des tuyaux vers d’autres parties du bâtiment. La source d’énergie utilisée pour chauffer l’eau est généralement un combustible fossile comme le pétrole ou le gaz naturel.

Les fenêtres permettent à l’énergie provenant du Soleil de pénétrer dans les bâtiments. Une partie de l’énergie est réfléchie vers l’extérieur. L’énergie restante est absorbée par les gens et les objets dans la pièce. Cela leur donne une sensation de chaleur.

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Une infographie en couleur montre des élèves à l’intérieur qui sont réchauffés par différents systèmes.
Un groupe d’élèves est représenté au centre d’un carré vert étiqueté « Intérieur de la pièce ». Un rectangle vertical bleu foncé à droite est étiqueté « Extérieur de la pièce ».
À l’intérieur de la pièce, en haut à gauche, se trouve un rectangle blanc avec un évent gris le long du dessus. Ceci est étiqueté « Panneaux de plafond rayonnants ». À côté se trouve l’icône d’une prise électrique sur laquelle figure un éclair. Des lignes orange ondulées pointent vers le bas dans la pièce. Une étiquette indique qu’elles représentent le rayonnement.
En haut à droite se trouve une grille de lignes blanches avec deux lignes orange ondulées qui la traversent. Une ligne pointe vers un soleil orange à l’extérieur de la pièce. Une autre pointe depuis le soleil vers le bas dans la pièce. Ceci est étiqueté « Lumière du soleil à travers une fenêtre ».
En bas à gauche, il y a un rectangle blanc avec un évent gris le long du bas. Ceci est étiqueté « Plinthe chauffante électrique ». À côté se trouve l’icône d’une prise électrique sur laquelle figure un éclair. À partir de ce rectangle, des lignes orange ondulées pointent vers le haut, dans la pièce.

Dans le coin inférieur droit se trouve une structure rectangulaire constituée de structures verticales grises jointes le long du haut et du bas. Celle-ci est étiquetée « Radiateur ». À partir de là, une ligne orange ondulée pointe dans la pièce. Une autre ligne pointe depuis la pièce vers le radiateur. Deux tuyaux relient le radiateur à un cylindre blanc à l’extérieur de la pièce. Ceci est étiqueté « Chaudière à eau ». L’icône d’une flamme orange à côté est étiquetée « Pétrole » et « Gaz naturel ». L’un des tuyaux est rose et est étiqueté « Chaud » avec une flèche rouge pointant de la chaudière vers le radiateur. L’autre tuyau est bleu et est étiqueté « Froid », avec une flèche bleue pointant du radiateur vers la chaudière. Une étiquette entre les tuyaux indique « Eau ou vapeur ».

Le savais-tu?

Les gens rayonnent de la chaleur tout le temps! Nous pouvons « voir » cette chaleur au moyen de la technologie de l’imagerie thermique.

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Une image en couleur montre la chaleur de la main d’une personne.
Une échelle le long du bord droit montre que le bleu et le vert sont les températures les plus froides, le jaune correspond à la température moyenne, le rouge et le blanc sont les plus chaudes. La manche de la chemise de la personne apparaît en bleu vif et vert. Sa main apparaît dans des tons de rouge et de blanc, correspondant aux parties les plus chaudes de l’échelle. La main est entourée d’une lueur. Près de la peau, elle est jaune. Plus loin, elle est bleu vif. Le reste de l’air autour de la main est bleu foncé, correspondant à la partie la plus froide de l’échelle.

Le chauffage par convection

D’autres systèmes utilisent le chauffage par convection. La convection est le mouvement d’un gaz ou d’un liquide en raison de différences de température. Dans les systèmes de chauffage à air pulsé, l’air est réchauffé par une fournaise. Cela est semblable à l’eau dans une chaudière. L’air est transporté par des conduits d’air vers les pièces. L’air frais revient par un ensemble différent de conduits d’air.

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Une infographie en couleur montre des élèves qui sont réchauffés et refroidis par deux systèmes différents.
Un groupe d’élèves est représenté dans le bas à gauche d’un carré vert étiqueté « Intérieur de la pièce ». Un rectangle vertical bleu foncé à droite est étiqueté « Extérieur de la pièce ». Un espace blanc à l’extrême droite est étiqueté « Extérieur ». Dans le haut du carré vert se trouve un cercle avec des flèches pointant dans le sens horaire. Sa couleur passe du rose à gauche au bleu à droite. Ceci est étiqueté « Convection ».
En haut à droite de la pièce se trouvent deux boîtes grises à évents. L’une est étiquetée « Air chaud », l’autre est étiquetée « Air froid ». Un tuyau rose émerge de la boîte chaude, et un tuyau bleu émerge de la boîte froide. Ceux-ci sont reliés à un plus grand rectangle gris étiqueté « Fournaise à air pulsé ». L’icône d’une flamme orange à côté de ce rectangle est étiquetée « Pétrole » et « Gaz naturel ».

En bas à gauche de la pièce se trouve une boîte verticale à évents. Au-dessus, des flèches sont étiquetées « Hiver ». L’une est rose et pointe de l’extérieur vers l’intérieur. L’autre est bleue et pointe de l’intérieur vers l’extérieur. En dessous, des flèches sont étiquetées « Été ». L’une est bleue et pointe de l’extérieur vers l’intérieur. L’autre est rose et pointe de l’intérieur vers l’extérieur. Deux tuyaux relient la boîte à un autre rectangle gris à l’extérieur de la pièce étiqueté « Unité intérieure ». Une boucle de tuyaux émerge de ce rectangle vers un cylindre gris étiqueté « Unité extérieure ». À côté de celui-ci, une paire de flèches est étiquetée « Été ». L’une est rose et pointe de l’unité vers l’air. L’autre est bleue et pointe de l’air vers l’unité. En dessous, une autre paire de flèches est étiquetée « Hiver ». L’une est rose et pointe de l’air vers l’unité. L’autre est bleue et pointe de l’unité vers l’air. Ce système est étiqueté « Thermopompe à source d’air ». À côté se trouve l’icône d’une prise électrique avec un éclair.

Les pompes à chaleur à source d’air (ou thermopompes) fonctionnent d’une manière différente. Elles comportent deux parties principales.

1. Unité extérieure
   L’unité extérieure aspire l’air extérieur avec un ventilateur. L’air passe devant un échangeur de chaleur. Dans celui-ci, un réfrigérant liquide ayant un faible point d’ébullition devient un gaz. Le gaz est comprimé par un compresseur pour augmenter sa température. Le gaz chaud passe par un deuxième échangeur de chaleur. Celui-ci transfère la chaleur vers l’unité intérieure. Le réfrigérant maintenant refroidi recommence le cycle.
2. Unité intérieure
   Semblable au système à air pulsé, cette unité pousse l’air dans les pièces. Elle retourne ensuite l’air à l’extérieur.

Contrairement aux fournaises et aux chaudières, ces thermopompes fonctionnent à l’électricité.

En plus d’utiliser l’air extérieur, certaines thermopompes transfèrent la chaleur vers et depuis la Terre. On les appelle les thermopompes géothermiques. Les thermopompes géothermiques requièrent moins d’énergie que les systèmes de chauffage électrique ou les fournaises.

Au Canada, les écoles utilisent différentes sources d’énergie pour le chauffage. Les deux principales sont le gaz naturel (56 %) et l’électricité (39 %).

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Un diagramme circulaire en couleur illustre le pourcentage d’utilisation de huit sources d’énergie différentes. L’information se lit comme suit :
Électricité 39 %, Électricité sur place <1 %, Gaz naturel 56 %, Mazout 4 %, Système de vapeur collectif <1 %, Système de refroidissement collectif <1 %, Propane 1 %, Autre <1 %.

La climatisation

Parfois, les gens veulent que l’intérieur d’un immeuble soit plus frais. C’est là que les climatiseurs entrent en jeu. Les climatiseurs sont essentiellement des thermopompes à sens unique. Ils sont conçus uniquement pour évacuer la chaleur d’un bâtiment. Ils ne sont pas conçus pour chauffer les bâtiments.

Comment les gens contrôlent-ils la chaleur à l’intérieur?

Le contrôle de la chaleur fait partie du système CVC d’un bâtiment. CVC signifie chauffage, ventilation et climatisation. Les systèmes CVC permettent aux gens de contrôler la température à l’intérieur.

Un système de climatisation intérieure comprend trois parties :

1. Une source de chaleur
2. Un système pour déplacer l’air
3. Un moyen de contrôler le système

Le dispositif qui contrôle le système s’appelle le thermostat. Un thermostat est un dispositif qui démarre et éteint un système de chauffage. Il fonctionne en détectant la température de l’air et en la comparant à une valeur définie. Si la température est supérieure à la valeur, il éteint le système. Si elle est inférieure à la valeur, il démarre le système. De nombreux thermostats peuvent être programmés pour augmenter ou baisser la température à des moments précis.

Il existe d’autres moyens plus simples de contrôler la température à l’intérieur, notamment :

• ouvrir les portes ou les fenêtres pour laisser entrer ou sortir l’air;
• utiliser des stores, des toiles ou des rideaux pour laisser entrer ou bloquer la lumière;
• utiliser des ventilateurs;
• avoir une bonne isolation dans les murs.

Le chauffage et le refroidissement intérieurs comportent souvent un coût. Cela inclut le coût de l’électricité ou du carburant pour les gens. Il y a souvent aussi un coût pour l’environnement. La combustion de combustibles fossiles pour produire de l’énergie libère des gaz à effet de serre. Ceux-ci contribuent aux changements climatiques. C’est pourquoi les gens continuent de chercher des moyens de chauffer et de refroidir les espaces intérieurs à moindre coût pour les gens et l’environnement.