Si vous vous asseyez sur une chaise en bois, sa surface se réchauffe. En revanche, si vous vous asseyez sur une chaise en plastique ou en métal, sa surface reste froide. Pourquoi la surface d'une chaise en bois est-elle chaude, alors que celle d'une chaise en métal ne l'est pas ? Pourquoi dormir sur un sol froid sans matelas peut-il provoquer des douleurs ? Avez-vous déjà porté une veste chaude ? Pourquoi la plupart des vestes chaudes sont-elles en laine ? Il reste encore beaucoup de questions et d'interrogations concernant le transfert de chaleur par conduction.
Préparez une bougie et un morceau de fil de fer fin. Tenez une extrémité du fil et approchez l'autre extrémité de la flamme de la bougie. Attendez quelques instants, jusqu'à ce que votre main chauffe. Pourquoi votre main chauffe-t-elle ? Lorsque l'une des extrémités du fil touche la flamme, la chaleur se déplace de la flamme (température élevée) vers l'autre extrémité du fil (température basse). Ce transfert de chaleur provoque une augmentation de la température de l'extrémité du fil en contact avec la flamme. La différence de température entre cette extrémité et l'autre extrémité du fil entraîne un transfert de chaleur de l'extrémité en contact avec la flamme vers l'extrémité touchée par votre main. Ce transfert de chaleur provoque une augmentation de la température de cette dernière. La chaleur se propage ensuite à votre main, plus froide. C'est pourquoi votre main est chaude.
Lorsqu'une partie d'un objet à haute température entre en contact avec un objet à basse température, la chaleur se déplace de l'objet à haute température vers l'objet à basse température. L'énergie supplémentaire provoque une accélération du mouvement des atomes et des molécules qui composent l'objet. Ce mouvement confère aux molécules une énergie cinétique (Ec = ½ mv² ) . Les molécules les plus rapides (possédant une énergie cinétique plus élevée) entrent en collision avec les molécules voisines. Ces dernières entrent ensuite en collision avec d'autres molécules voisines, et ainsi de suite. Ce processus de collisions moléculaires entraîne un transfert d'énergie. Le transfert de chaleur par conduction est appelé transfert de chaleur par collisions entre les molécules d'un objet.
La formule du transfert de chaleur par conduction
L'objet situé à gauche a une température plus élevée (T).1) tandis que l'objet de droite a une température plus basse (T2). En raison de la différence de température (T1 - T2La chaleur se déplace d'un objet à haute température vers un objet à basse température (le flux thermique se fait vers la droite). L'objet traversé par la chaleur possède une section transversale (A) et une longueur (l).
D'après les résultats de l'expérience, la chaleur transférée pendant un intervalle de temps donné (Q/t) est directement proportionnelle à la différence de température (T₁ – T₂ ) , à la section transversale (A) et à la nature du matériau (k = conductivité thermique), et inversement proportionnelle à sa longueur. La formule du flux thermique par conduction est la suivante :
Description : Q/t = flux thermique, k = conductivité thermique, A = aire de la section transversale, T1 = haute température, T2 = basse température, l = longueur de l'objet.
Application du transfert de chaleur par conduction
Pourquoi les carreaux sont-ils plus frais que la moquette ? Les carreaux ont une conductivité thermique supérieure à celle de la moquette. Ils conduisent donc bien la chaleur, contrairement à la moquette. Lorsque nous marchons sur une moquette, la chaleur de nos pieds se propage vers le tapis. Cela s'explique par le fait que notre température corporelle est plus élevée que celle de la moquette. La moquette étant un mauvais conducteur de chaleur, la chaleur de nos pieds s'accumule à sa surface, ce qui la rend plus chaude. Lorsque nous marchons sur des carreaux ou de la céramique, la chaleur se propage de nos pieds vers le carrelage ou la céramique. Le carrelage étant un bon conducteur de chaleur, la chaleur ne s'accumule pas à sa surface. La chaleur se diffuse uniformément, ce qui donne une sensation de fraîcheur à nos pieds. Si vous habitez dans une région froide, il est conseillé de recouvrir le sol de votre chambre de moquette afin de conserver votre chaleur corporelle. À l'inverse, si vous habitez dans une région chaude, il est déconseillé de recouvrir le sol de votre chambre de moquette, car vous aurez trop chaud 😉
Dormir à même le sol sans matelas peut rendre malade. Pourquoi ? Parce qu'une grande quantité de chaleur est transférée de votre corps au sol. La chaleur est de l'énergie en mouvement. Lorsque votre corps perd beaucoup de chaleur, son niveau d'énergie diminue. Un manque d'énergie peut vous rendre malade !
À quoi servent les fenêtres et les portes ? Pourquoi les portes et fenêtres sont-elles généralement en bois ? La nuit, la température extérieure est inférieure à la température intérieure. Cette différence de température provoque un transfert de chaleur de l'intérieur vers l'extérieur. C'est pourquoi, la nuit, nous fermons généralement les portes et les fenêtres. Outre leur fonction de protection contre les intrusions, les fenêtres et les portes servent aussi à conserver la chaleur. Le bois est généralement utilisé pour les portes et les fenêtres. Sa faible conductivité thermique lui permet d'agir comme un isolant thermique. Les fenêtres et les portes ont également pour fonction de retenir l'air. L'air emprisonné à l'intérieur des fenêtres et des portes constitue un bon isolant (empêchant la chaleur de s'échapper). La conductivité thermique de l'air est très faible. Plus la conductivité thermique d'un objet est faible, plus il est difficile pour la chaleur de se transmettre par conduction à travers cet objet.
Outre le fait de préserver notre statut d'êtres humains civilisés et normaux 🙂, les vêtements servent également à maintenir une température corporelle stable. Nos vêtements sont généralement adaptés à la température ambiante. Lorsque la température extérieure est basse, nous portons des vêtements plus épais. Les couvertures ou les vêtements épais (vestes, etc.) empêchent l'air de circuler librement. L'air est emprisonné entre la peau et le vêtement. Du fait de la différence de température entre notre corps et cet air emprisonné, la chaleur se déplace du corps vers l'air. Cette chaleur supplémentaire provenant du corps entraîne une augmentation de la température de l'air emprisonné (l'air se réchauffe). Consultez le tableau de conductivité thermique ci-dessus. La conductivité thermique de l'air est très faible. Par conséquent, la chaleur ne peut pas s'échapper du corps. Notre température corporelle reste stable. Si nous ne portons pas de veste lorsqu'il fait très froid, la chaleur s'échappe de notre corps. Plus la chaleur s'échappe, plus le corps perd d'énergie.
Exemple de problème
1. Question A81 n° 10 de l'examen national 2011/2012
Faites attention à la déclaration suivante !
(1) Conductivité du métal
(2) La différence de température entre les extrémités métalliques
(3) Longueur du métal
(4) Masse métallique
Les facteurs qui déterminent la vitesse de propagation de la chaleur dans un métal sont...
A. (1), (2) et (3)
B. (1) et (4)
C. (2) et (4)
D. (3) et (4)
E. (4) seulement
Discussion
D'après la formule du coefficient de transfert thermique par conduction, les facteurs déterminant ce coefficient sont la conductivité du métal (k), la différence de température entre ses extrémités (T) et sa longueur (l). La masse du métal est sans incidence.
La bonne réponse est A.
