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Physique
Cours : Physique > Chapitre 5
Leçon 9: Chaleur et énergie thermiqueQu'est-ce que la conduction thermique ?
Pour apprendre comment déterminer un flux de chaleur.
Qu'est-ce que la conduction thermique ?
Quand on marche pieds nus sur le carrelage de la salle de bain en hiver, on a toujours plus froid que sur la moquette de la chambre à coucher. Or contrairement aux idées reçues, les deux ont exactement la même température (c.à d. la température de l'intérieur de la maison). La différence de sensation ressentie en marchant sur l'un ou sur l'autre vient du fait que ces deux matériaux différents ne conduisent pas la chaleur de la même manière. Les carreaux et les dalles en pierre conduisent la chaleur plus rapidement que la moquette et le tissu, ce qui fait qu'ils semblent plus froids au toucher, du fait qu'ils absorbent plus rapidement la chaleur venant du corps.
En général, les bons conducteurs d'électricité (les métaux comme le cuivre, l'aluminium, l'or et l'argent) sont aussi de bons conducteurs de chaleur, tandis que les isolants électriques (le bois, le plastique, le caoutchouc) sont de mauvais conducteurs de chaleur. La figure ci-dessous représente des molécules à l'intérieur de deux objets ayant des températures différentes. L'énergie cinétique (moyenne) d'une molécule à l'intérieur du corps chaud est plus grande que celle d'une molécule du corps froid. Lorsque ces deux molécules entrent en collision, un transfert d'énergie a lieu de la molécule "chaude" vers la molécule "froide". L'effet cumulé de toutes les collisions génère un transfert global de chaleur depuis le corps chaud vers le corps froid. Ce transfert d'énergie entre les deux objets est appelé transfert thermique.
(Source de l'image : Openstax College Physics)
Quelle est l'expression du flux thermique ?
Le flux thermique caractérise la vitesse du transfert thermique pendant une durée donnée . L'expérience a montré que, dans le cas d'une paroi plane de section et d'épaisseur , il dépend de quatre facteurs ( , , , ) selon la formule suivante :
Image : La conduction de la chaleur s'effectue à travers n'importe quel matériau, que ce soit une vitre en verre ou de la graisse de morse. Cet exemple illustre le transfert thermique à travers une barre rectangulaire. (Source de l'image : Openstax College Physics)
Que représente chacun des termes de la formule du flux thermique ?
La formule du flux thermique peut paraître indigeste avec tous ces termes. Pour y voir plus clair, on détaille en suivant le sens de chacun :
Pourquoi a-t-on l'impression que les métaux sont plus froids en hiver et plus chauds en été ?
Les matériaux qui possèdent une conductivité thermique élevée (comme le métal ou la pierre) conduisent mieux la chaleur, que ce soit dans un sens ou dans l'autre, autrement dit, ils absorbent vite la chaleur et la restituent vite également. Par conséquent si on touche un métal froid avec la main, le métal va absorber rapidement la chaleur de la main, provoquant cette sensation que le métal est particulièrement froid. À l'inverse, si le métal est plus chaud que la main, il va transférer sa chaleur à la main plus rapidement, et on va avoir l'impression qu'il est particulièrement chaud.
Voilà pourquoi les dalles du carrelage paraissent plus froides en hiver que la moquette (le carrelage en pierre absorbant la chaleur des pieds plus rapidement), et le sable sec à la plage en été paraît très chaud (il restitue très vite sa chaleur).
Exemples d'exercices sur la conduction thermique
Exemple 1 : Isolation d'une fenêtre
On veut remplacer une fenêtre du salon en faisant en sorte que les factures de chauffage et de climatisation ne changent pas à la fin du mois. On note la surface de la fenêtre, son épaisseur, et la conductivité thermique du verre qui la compose.
Quelle suite de transformations peut-on faire parmi les suivantes pour que la nouvelle fenêtre ait exactement le même flux thermique que la précédente ? (Sélectionner une bonne réponse)
Exemple 2 : Perte de chaleur à travers une fenêtre
Soit une fenêtre en simple vitrage, de de largeur, de hauteur, et d'épaisseur . La conductivité thermique du verre est de . La température à l'extérieur de la fenêtre est de et à l'intérieur de la pièce de . Ces températures restent constantes.
Quelle est la valeur en du transfert thermique ayant lieu vers l'extérieur à travers la fenêtre en une heure ?
Solution :
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