Mécanismes de transfert thermique

Figure 1. La photo ci-dessus montre Airgel, un très bon isolant thermique, entre un chalumeau et des allumettes. L'aérogel bloque toute la chaleur du chalumeau et empêche les allumettes de brûler.

Les mécanismes de transfert thermique ne sont que des moyens par lesquels l'énergie thermique peut être transférée entre les objets. Ils reposent tous sur le principe de base que l'énergie cinétique ou la chaleur veut être à l'équilibre ou à des états d'énergie égale. Le transfert thermique peut se produire de trois manières différentes: la conduction, la convection et la chaleur radiante (souvent appelée le rayonnement, mais c'est un terme plus général qui inclut beaucoup d'autres phénomènes). Il existe un phénomène connexe qui transfère la chaleur latente appelée l'évapotranspiration.

Conduction

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La conduction est le modèle de transfert thermique le plus simple à expliquer mathématiquement. C'est le mouvement de l'énergie cinétique dans les matériaux depuis les zones de températures plus élevées vers les zones de températures plus basses à travers une substance. Les molécules donneront simplement leur énergie aux molécules adjacentes jusqu'à ce qu'un équilibre soit atteint. Les modèles de conduction ne traitent pas du mouvement des particules dans le matériau.

Convection

Figure 2. L'air au-dessus de la terre se réchauffe plus vite que l'air au-dessus de l'eau, ce qui entraîne une convection qui ressemble à une brise marine fraîche.

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La convection est un transfert thermique par un fluide (comme l'air ou l'eau). La différence entre la conduction et la convection consiste en mouvement d'un matériau support; la convection est le mouvement de l'énergie thermique par déplacement d'un fluide chaud (plutôt que le réchauffement d'un autre matériau en agitant les atomes). Normalement, ce mouvement résulte des différences de densité. Les particules plus chaudes sont moins denses, donc les particules à température plus élevée se déplaceront vers des régions où la température est plus basse; et les particules à température plus basse se déplaceront vers des zones de température plus élevée. Le fluide restera en mouvement jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint.

Rayonnement

Figure 1: Les feux de camp émettent une « énergie » radiante et sont ressentis comme une « chaleur radiante ».

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La chaleur transférée par le rayonnement s'appelle « chaleur radiante ». Tout comme la lumière, la chaleur radiante est l'énergie radiante, qui ne nécessite pas forcément de moyen de transport. Cette forme de transfert d'énergie est facilitée par un certain type de rayonnement électromagnétique. Toutes les particules chargées en mouvement émettent un rayonnement électromagnétique. Cette vague émise voyagera jusqu'à ce qu'elle atteigne une autre particule. La particule qui reçoit ce rayonnement le recevra sous forme d'énergie cinétique. Les particules recevront et émettront du rayonnement même après que tout soit porté à la même température, mais on ne le remarque pas car le matériau est à l'équilibre à ce stade.

Ce type de transfert thermique est particulièrement important pour le réglage de la température de la Terre. Le rayonnement, en tant que transfert thermique, est la façon dont la Terre obtient de l'énergie du soleil. Le rayonnement est également important pour l'effet de serre.

Évapotranspiration

Figure 1. Le cycle de l'eau repose sur l'évapotranspiration.

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L'évapotranspiration est l'énergie transportée par les changements de phase, comme l'évaporation ou la sublimation. L'eau prend une grande quantité d'énergie pour changer de phase; par conséquent, la vapeur d'eau est associée à une quantité considérable d'énergie. Ce type de mécanisme de transfert d'énergie ne figure pas souvent parmi les différents types de mécanismes de transfert car il est plus difficile à comprendre.