Conduction thermique

La conduction est un des modes de transfert thermique qui permet à la chaleur de passer d'un corps chaud à un corps froid.
La conduction s'oppose à la convection par le fait qu'il n'y a pas de transport de matière. La chaleur, qui est une quantité d'énergie, peut s'interpréter comme une agitation des atomes de la matière.
La conduction thermique correspond à la propagation, par contact, de cette agitation et donc de la chaleur. La position moyenne des noyaux reste fixe. C’est donc le principal mode de transfert de chaleur dans les solides.

Cliquer sur l'interrupteur de la plaque chauffante.

• Illustrer la propagation de proche en proche de l'énergie thermique (chaleur).
• Comprendre que ce mode de transmission thermique s'effectue sans  transport de matière.
• Introduire la conductivité thermique, et la notion d'isolant thermique.

Il existe trois sortes de transfert thermique:

1. Conduction thermique
2. Convection thermique
3. Rayonnement.

La transmission de chaleur par rayonnement consiste en l’émission d’une radiation électromagnétique (photon). Le photon émis transporte de l’énergie sur une grande distance, même dans le vide, avant de la libérer au contact d’un autre atome. C’est de cette façon que l’énergie du Soleil se propage jusqu’à la Terre.
La convection thermique est le transfert de chaleur avec transport de matière. L’air chauffé par un radiateur s’élève. Ce déplacement de matière transporte la chaleur vers le haut en même temps que la matière. C’est de cette façon que la chaleur s’équilibre dans un fluide (l’air d’une chambre ou l’eau dans une casserole).
La conduction thermique est un mode de transfert de la chaleur sans transport de matière. L’énergie, que l'on peut représenter comme une agitation termique, est cédée lors des collisions, et se propage de proche en proche dans la matière.

Cette agitation thermique concerne aussi bien les noyaux que les électrons gravitant autour des noyaux et non représentés sur l'animation. Les matériaux conducteurs d’électricité comme les métaux se caractérisent par le fait que certains de leurs électrons sont libres de se déplacer sur de grandes distances. Pour cette raison, les bons conducteurs électriques sont aussi de bons conducteurs thermiques car l’agitation thermique de ces électrons libres accélère la propagation de la chaleur au sein de la matière.
On définit la conductivité thermique pour évaluer l’aptitude de la matière à conduire la chaleur. Il existe de très grandes différences. Ainsi la conductivité thermique de l’aluminium est 10000 fois supérieure à celle de l’air. Pour cette raison, l’air est un très bon isolant thermique.

Application: Pourquoi avons-nous une sensation de froid en touchant un morceau de métal, plutôt qu’un morceau de bois, alors que tous les deux sont à même température ?

Si on considère que le bois et le métal sont à température ambiante (15°C par exemple), la source de chaleur chaude est notre doigt puisqu’il se trouve à 37°C. Lors du contact, les atomes de notre peau s’agitent plus que celle de l’objet. Dans le cas du bois, la conductivité thermique est faible et peu de notre chaleur se transfert au bois. Notre corps conserve donc sa chaleur.

Avec un morceau de métal, la conductivité thermique est élevée et la chaleur de notre doigt se propage très facilement à la surface du métal puis à l’intérieur du métal. Par simple conservation de l’énergie, si le métal se réchauffe rapidement, c’est que notre doigt se refroidit rapidement, localement en tout cas, et c'est cette sensation de froid que nous percevons.

Ce thème de la conduction thermique peut être abordé par une démarche d'investigation. Après avoir diffusé l'animation "conduction thermique", l'enseignant pourra interroger la classe:

• Pourquoi les casseroles sont elles en métal ?
• Pourquoi ne se brûle-t-on pas avec le manche en bois d'une casserole ?
• Comment un pull nous protège-t-il du froid ?

Dans chacun de ces 4 cas, la conduction thermique est le phénomène central. Seule la matière change et la valeur de la conductivité thermique.

L'air est un mauvais conducteur thermique, tout comme le bois. Le principe d'un vêtement chaud, c'est d'emprisonner de l'air. Car il a une mauvaise conductivité. il sera difficilement réchauffé par notre corps, préservant ainsi sa chaleur mais aussi difficilement refroidit par l'air extérieur. Le vêtement devient alors une barrière isolante. Ce même principe s'applique aux matériaux isolants utilisés pour la construction des maisons (laine de roche, chanvre, cellulose).

La plupart des métaux sont de très bons conducteurs thermiques. Ainsi le fond métallique de la casserole est un bon choix pour conduire la chaleur de la source chaude vers le contenant.

On pourra illustrer le comportement microscopique de la matière et introduire la conductivité en termes de propagation de l'agitation thermique. Demander à un élève d'expliquer cette théorie moléculaire dans le cas du vêtement qui protège du froid.