Lorsque deux corps affichent la même température, ils sont dits en équilibre thermique. Mais si leur température diffère, l’un va céder de l’énergie à l’autre. Il y aura alors transfert d’énergie thermique. Une transmission de chaleur qui peut se faire selon plusieurs modes.

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À chaque fois qu'il existe une différence de température entre deux systèmes, on assiste à un transfert d'énergie sous forme de chaleur. De tels transferts thermiques ont leur importance dans de nombreuses situations. Lorsqu'il s'agit de chauffer une pièce en hiverhiver ou dans l'industrie agroalimentaire, par exemple, qui, au fil de ses procédés, chauffe, refroidit ou encore réfrigère des aliments. Trois modes de transmission de la chaleurchaleur se distinguent traditionnellement.

C'est par conduction thermique que l'extérieur d'une tasse de thé devient chaud après qu'on y a versé de l'eau bouillante. La conduction se produit à l'intérieur d'un corps ou lorsque deux corps sont mis en contact. Elle ne fait pas intervenir de déplacement apparent de la matièrematière. Elle repose uniquement sur des vibrationsvibrations d'atomesatomes qui se transmettent de proche en proche, ou sur la transmission d'électronsélectrons libres. C'est ainsi le seul mode de transmission de la chaleur au sein des corps solidessolides. Dans ce cas, le flux de chaleur apparaît proportionnel au gradientgradient de température et a lieu dans le sens opposé, c'est-à-dire dans la direction des températures décroissantes. Le flux de chaleur est aussi d'autant plus important que la conductivité thermiqueconductivité thermique des corps est élevée. Celle du pain, par exemple, est faible devant celle de l'aluminiumaluminium.

Le sèche-cheveux transmet de la chaleur par convection. © RyanMcGuire, Pixabay, CC0 Creative Commons
Le sèche-cheveux transmet de la chaleur par convection. © RyanMcGuire, Pixabay, CC0 Creative Commons

Des modes de transmission qui se combinent

Lorsque l'on souffle sur une cuillère de soupe brûlante pour la refroidir, on compte sur le phénomène de convectionconvection qui intervient au sein des fluides. La convection suppose, en effet, le déplacement d'éléments matériels entre régions de températures différentes. Il existe plusieurs modes de transmission de la chaleur par convection. Lorsque le fluide est mis en mouvementmouvement par des variations de masse volumique dues au réchauffement ou au refroidissement des éléments du fluide, on parle de convection naturelle ou libre. C'est ce qui se passe dans le cas des courants marins. Lorsque des forces extérieures -- comme des agitateurs, des pompes ou encore des ventilateurs -- interviennent, il s'agit de convection forcée. On parle même de convection vive lorsque le fluide est le siège de réactions qui dégagent de la chaleur, ou de transformations endothermiques. Notez que le flux de chaleur transmis dépend dans le cas de la convection, de la vitesse de circulation du fluide et de ses propriétés, de manière plus générale, mais aussi des caractéristiques de surface du solide avec lequel il est en contact et de la géométrie de la situation.

Le Soleil, enfin, nous transmet sa chaleur par rayonnement. La transmission de chaleur par rayonnement s'appuie essentiellement sur l'émissionémission et l'absorptionabsorption d'ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques. L'énergie que celles-ci transportent est convertie en chaleur. Le rayonnement ne nécessite donc l'intervention d'aucun déplacement de matière ni d'aucun contact entre les objets ou milieux. Il est le seul à pouvoir se faire dans le vide.

Notez que la plupart des transferts de chaleur mettent en jeu plusieurs de ces modes de transmission. Ils interviennent alors simultanément, en parallèle ou en série. Une casserole destinée à chauffer de l'eau en est un bon exemple. Intervient d'abord le rayonnement dû aux flammes, puis la convection de l'eau qui bout notamment ; enfin, la conduction entre le manche de la casserole et la main du cuisinier.