matériau isolant

Chaleur
La transmission de chaleur
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La transmission de chaleur
Le transport de la chaleur d’un point à un autre peut s’effectuer de trois manières: par conduction,
par convection et par rayonnement.
6.1
Conduction
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La figure représente un barreau dont les extrémités sont en contact thermique avec une source
chaude à la température TC et une source froide à la température TF. Les faces latérales du barreau
sont recouvertes d’un matériau isolant pour que le transport de la chaleur se fasse uniquement le
long du barreau et non par les côtés. Les molécules de la source chaude ont une énergie de vibration
plus grande, qui est transférée par collisions aux atomes sur la face d’extrémité du barreau. À leur
tour, ces atomes transfèrent l’énergie à leurs voisins situés un peu plus loin sur le barreau. Ce mode
de transfert de chaleur dans une substance est appelé conduction.
Si on prend un barreau dont la température soit uniformément égale à TF, on chauffe l’extrémité de
gauche, pour la porter à la température TC. La température, le long du barreau s’élève progressivement
et après un temps suffisamment long, le système se stabilise et la température varie linéairement
avec la distance, le long du barreau.
Une poignée de porte en métal semble plus froide que la porte en bois qui est à la même température
parce que le métal est un bon conducteur thermique et qu’il conduit la chaleur loin de la main, alors
que le bois est un conducteur relativement mauvais. Les tuiles protégeant le dessous de la navette
spatiale sont faites d’un matériau qui est extrêmement mauvais conducteur. Dans tous les solides et
les liquides, la conduction thermique se fait par transfert de l’énergie de vibration des atomes. Dans
les métaux se trouvent également un grand nombre d’électrons libres qui se déplacent facilement
à l’intérieur de l’objet et qui sont responsables du transfert rapide de la chaleur. Les propriétés
isolantes (faible conductivité thermique) du duvet et de la laine proviennent essentiellement de leur
capacité à emprisonner l’air.
6.2
Convection
Dans le processus de conduction thermique, les atomes transfèrent leur énergie lors des collisions
avec leurs voisins; mais dans un solide, ils ne quittent pas leur position d’équilibre. Dans les liquides
et les gaz, les atomes ou les molécules peuvent se déplacer d’un point à un autre et le transfert de
chaleur qui accompagne ce déplacement de masse est appelé convection. Dans la convection forcée,
un ventilateur ou une pompe crée des courants de fluides. Par exemple, un ventilateur crée des
courants d’air et une pompe fait circuler l’eau dans le circuit de chauffage central d’une maison. La
convection libre se produit parce que la densité d’un fluide varie avec sa température. L’air chaud en
contact avec un radiateur se détend et devient donc moins dense que l’air environnant. L’air chaud
monte et il est remplacé par de l’air plus froid. Le même processus se produit lorsqu’on chauffe un
liquide. Le liquide plus chaud au fond du récipient monte et il est remplacé par du liquide plus froid
venant de la surface. Notre atmosphère est le siège de vastes courants de convection: les planeurs et
les oiseaux tirent parti des courants chauds ascendants, appelés courants thermiques, pour prendre
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La transmission de chaleur
Chaleur
de l’altitude. L’isolation thermique offerte par une couche d’air immobile dans une fenêtre à double
vitrage est réduite si des courants de convection s’établissent entre les deux vitres.
6.3
Rayonnement
Le rayonnement est un mode de transfert de chaleur qui ne fait pas intervenir de milieu intermédiaire.
Par exemple, nous sentons l’effet de la chaleur rayonnée par les corps chauds, comme le Soleil
ou des bûches enflammées dans la cheminée. On démontre expérimentalement que la puissance
rayonnée par un corps d’aire A à la température absolue T est donnée par
PZ =
DQ
= esAT 4
Dt
où s = 5, 67×10-8 W m 2 × K 4 , la constante de Stefan-Boltzmann. La quantité e, appelée facteur
d’émission, dépend de la nature de la surface. Par exemple, e=0,1 pour une surface métallique
brillante et e=0,95 pour une surface noire matte.
Un corps émet et absorbe à la fois de l’énergie rayonnante. Si le corps est à la température T1,
4
sa puissance rayonnée est esAT1 . Si le milieu environnant est à la température T2, sa puissance
rayonnée est esAT24 , de sorte que si le taux d’absorption par le corps doit également être
4
proportionnel à T2 . Si T1 = T2 , il n’y a pas de transfert net de chaleur entre le corps et le milieu
environnant et DQ Dt = 0. Il s’ensuit immédiatement que le coefficient du terme d’absorption T24
4
doit également être égal à esAT2 . Par conséquent, un bon émetteur est également un bon absorbant.
Le taux net auquel la chaleur est rayonnée par le corps est égal à
P=
DQ
= esA(T14 -T24 )
Dt
La température d’équilibre est donnée par : PZ = P[
6.4
Exercices :
6.1 Calculer la puissance rayonnée par le Soleil, sa surface est à 5760 K.
6.2 Calculer la puissance rayonnée par la peau d’une personne qui est à 34°C dans de l’air à 10°C.
On estimera la surface du corps à 2,8 m2.
6.3 Calculer la température théorique que devrait avoir Jupiter en tenant compte du rayonnement
solaire sur Jupiter et du rayonnement de la planète dans l’espace.
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