Conduction thermique

Figure 1. La chaleur est transférée d'une surface chaude à une surface froide par conduction thermique.

La conduction thermique est la diffusion de l'énergie thermique (chaleur) à l'intérieur d'un matériau ou entre des matériaux en contact. L'objet à température plus élevée possède des molécules ayant plus d'énergie cinétique ; les collisions entre les molécules répartissent cette énergie cinétique jusqu'à ce que l'objet ait la même énergie thermique partout. La conduction est le principal mode de transfert de chaleur entre ou à l'intérieur des matériaux solides. La conduction permet aux cuisinières à gaz et électriques de chauffer les casseroles. Les bâtiments perdent une grande partie de leur chaleur par conduction, les poches d'air dans les isolants empêchent cette perte en arrêtant la conduction.

Conduction thermique

Une région présentant une plus grande énergie thermique (chaleur) correspond à une plus grande agitation moléculaire. Ainsi, lorsqu'un objet chaud touche une surface plus froide, les molécules très agitées de l'objet chaud heurtent les molécules plus calmes de la surface plus froide, transférant l'énergie cinétique microscopique et provoquant le réchauffement de la partie ou de l'objet plus froid. Mathématiquement, la conduction thermique fonctionne exactement comme la diffusion. Lorsque la différence de température augmente, la distance parcourue se raccourcit ou la surface augmente : la conduction thermique augmente :

Conduction thermique (puissance)[math]\displaystyle{ = \frac{\kappa A \Delta T}{\ell} }[/math]

Où :

• La conduction thermique (puissance) est la chaleur par unité de temps transférée sur une certaine distance [math]\displaystyle{ \ell }[/math] entre les deux températures.
• [math]\displaystyle{ \kappa }[/math] est la conductivité thermique du matériau.
• [math]\displaystyle{ A }[/math] est la surface de la section transversale de l'objet.
• [math]\displaystyle{ \Delta T }[/math] est la différence de température d'un côté à l'autre.
• [math]\displaystyle{ \ell }[/math] est la longueur du chemin par lequel la chaleur doit être transférée.

La conduction est le principal mode de transfert de chaleur pour les matériaux solides car les fortes forces intermoléculaires permettent de transmettre facilement les vibrations des particules, par rapport aux liquides et aux gaz. Les liquides ont des forces intermoléculaires plus faibles et plus d'espace entre les particules, ce qui rend les vibrations des particules plus difficiles à transmettre. Les gaz ont encore plus d'espace, et donc des collisions de particules peu fréquentes. Les liquides et les gaz sont donc de mauvais conducteurs de chaleur.

Une bonne conduction thermique est essentielle pour les échangeurs de chaleur, qui permettent d'échanger de la chaleur entre deux fluides sans les mélanger. Par exemple, un moteur thermique externe, (tel qu'une centrale électrique au charbon ou une centrale nucléaire) produit de la chaleur, qui doit être transférée à un fluide de travail afin de générer de l'électricité. Cette chaleur produite doit être transférée par conduction thermique.

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