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Conduction thermique
La conduction thermique transfère de l’énergie d’une région plus chaude vers une région plus froide à travers la matière, sans déplacement global du matériau.
Pourquoi une cuillère métallique devient-elle chaude ?
Plongez l’extrémité d’une cuillère métallique dans une boisson chaude : quelques instants plus tard, le manche se réchauffe. L’énergie thermique s’est propagée dans le métal depuis la partie la plus chaude vers les parties plus froides. Ce transfert est la conduction.
Que se passe-t-il dans la matière ?
Dans un solide, les atomes vibrent autour de leurs positions. Ces vibrations et leurs interactions contribuent au transport d’énergie. Dans les métaux, les électrons mobiles jouent aussi un rôle très important. La conduction microscopique dépend donc de la structure du matériau.
Conducteurs et isolants
Les matériaux ne conduisent pas tous la chaleur avec la même efficacité. Le cuivre, l’aluminium ou l’argent ont une conductivité thermique élevée. Le bois, certains plastiques, les laines isolantes ou l’air immobile conduisent beaucoup moins bien.
La chaleur traverse relativement facilement le matériau. Exemple : cuivre.
Le transfert par conduction est plus faible. Exemple : mousse contenant beaucoup d’air immobile.
Pourquoi une casserole est-elle métallique mais son manche parfois en plastique ?
Le fond métallique doit transmettre efficacement l’énergie de la source de chaleur vers les aliments. Le manche, au contraire, doit limiter ce transfert vers la main. Le choix des matériaux exploite donc volontairement des conductivités thermiques différentes.
Un objet métallique et un objet en bois laissés longtemps dans la même pièce peuvent être à la même température. Pourtant, le métal paraît souvent plus froid au toucher parce qu’il retire plus rapidement de l’énergie à la main.
La conductivité thermique
La capacité d’un matériau à conduire la chaleur est caractérisée par sa conductivité thermique, souvent notée k. Dans le Système international, elle s’exprime en watts par mètre-kelvin (W·m⁻¹·K⁻¹). Une valeur élevée indique généralement un transfert par conduction plus facile.
Épaisseur et différence de température
Un matériau isolant fonctionne mieux lorsqu’il impose une grande résistance au transfert thermique. Pour une paroi plane simple, augmenter l’épaisseur réduit le flux de chaleur, tandis qu’une plus grande différence de température augmente le transfert. La géométrie, les interfaces et l’humidité peuvent toutefois modifier le comportement réel.
La loi de Fourier
Dans une situation simple à une dimension, la conduction est décrite par la loi de Fourier : le flux thermique est proportionnel au gradient de température et à la conductivité du matériau. Le signe négatif traduit le fait que l’énergie se transfère spontanément vers les températures plus faibles.
Chaleur et température : ne pas confondre
La température caractérise l’état thermique d’un système. La chaleur, en thermodynamique, désigne un transfert d’énergie provoqué par une différence de température. Dire qu’un objet « contient de la chaleur » est courant dans la vie quotidienne, mais moins précis scientifiquement.
L’essentiel
La conduction thermique transfère de l’énergie à travers un matériau des régions chaudes vers les régions froides. Sa rapidité dépend notamment de la conductivité thermique, de l’épaisseur, de la géométrie et du gradient de température. Les métaux sont généralement de bons conducteurs ; les matériaux isolants servent au contraire à limiter ce transfert.