Introduction au transfert de chaleur : Comment se fait le transfert de chaleur ?

Qu’est-ce que la chaleur ? Comment s’effectue le transfert de chaleur ? Quels sont les effets sur la matière lorsque la chaleur est transférée d’un corps à un autre ? Voici ce que vous devez savoir :

Définition du transfert de chaleur

Le transfert de chaleur est un processus par lequel l’énergie interne d’une substance est transférée à une autre substance. La thermodynamique est l’étude du transfert de chaleur et des changements qui en résultent. La compréhension du transfert de chaleur est cruciale pour l’analyse d’un processus thermodynamique, comme ceux qui ont lieu dans les moteurs et les pompes à chaleur.

Formes de transfert de chaleur

Selon la théorie cinétique, l’énergie interne d’une substance est générée par le mouvement des atomes ou des molécules individuels. L’énergie thermique est la forme d’énergie qui transfère cette énergie d’un corps ou d’un système à un autre. Ce transfert de chaleur peut se faire de plusieurs façons :

  • On parle de conduction lorsque la chaleur circule à travers un solide chauffé par un courant de chaleur se déplaçant à travers le matériau. Vous pouvez observer la conduction lorsque vous chauffez un élément de brûleur de poêle ou une barre de métal, qui passe du rouge chaud au blanc chaud.
  • La convection est un phénomène par lequel des particules chauffées transfèrent de la chaleur à une autre substance, par exemple en faisant cuire quelque chose dans de l’eau bouillante.
  • On parle de rayonnement lorsque la chaleur est transférée par des ondes électromagnétiques, comme celles du soleil. Le rayonnement peut transférer de la chaleur à travers un espace vide, tandis que les deux autres méthodes nécessitent une forme de contact matière sur matière pour le transfert.
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Pour que deux substances s’influencent mutuellement, elles doivent être en contact thermique l’une avec l’autre. Si vous laissez votre four ouvert lorsqu’il est allumé et que vous vous tenez plusieurs pieds devant lui, vous êtes en contact thermique avec le four et vous pouvez sentir la chaleur qu’il vous transmet (par convection dans l’air).

Normalement, bien sûr, vous ne ressentez pas la chaleur du four lorsque vous êtes à plusieurs mètres de celui-ci, et ce parce que le four est doté d’une isolation thermique qui conserve la chaleur à l’intérieur, empêchant ainsi tout contact thermique avec l’extérieur du four. Ce n’est bien sûr pas parfait, donc si vous vous tenez à proximité, vous sentez la chaleur du four.

On parle d’équilibre thermique lorsque deux éléments qui sont en contact thermique ne transfèrent plus de chaleur entre eux.

Effets du transfert de chaleur

L’effet fondamental du transfert de chaleur est que les particules d’une substance entrent en collision avec les particules d’une autre substance. La substance la plus énergétique perdra généralement de l’énergie interne (c’est-à-dire qu’elle se « refroidira ») tandis que la substance la moins énergétique en gagnera (c’est-à-dire qu’elle se « réchauffera »).

L’effet le plus flagrant de cette situation dans notre vie quotidienne est une transition de phase, où une substance passe d’un état de matière à un autre, comme la glace qui fond d’un solide à un liquide lorsqu’elle absorbe de la chaleur. L’eau contient plus d’énergie interne (c’est-à-dire que les molécules d’eau se déplacent plus rapidement) que la glace.

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En outre, de nombreuses substances subissent une expansion ou une contraction thermique lorsqu’elles gagnent ou perdent de l’énergie interne. L’eau (et d’autres liquides) se dilate souvent lorsqu’elle gèle, ce que toute personne ayant mis une boisson avec un bouchon dans le congélateur pendant trop longtemps a découvert.

Capacité thermique

La capacité thermique d’un objet aide à définir comment la température de cet objet réagit à l’absorption ou à la transmission de chaleur. La capacité thermique est définie comme la variation de la chaleur divisée par la variation de la température.

Les lois de la thermodynamique

Le transfert de chaleur est guidé par certains principes de base connus sous le nom de lois de la thermodynamique, qui définissent la relation entre le transfert de chaleur et le travail effectué par un système et imposent certaines limites à ce qu’un système peut réaliser.

Sous la direction de Anne Marie Helmenstine, Ph.D.

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