Quels sont les trois modes de transferts thermiques ?

La conduction (contact solide), la convection (fluide en mouvement) et le rayonnement (ondes électromagnétiques, sans support matériel).

Quelle est l'unité du flux thermique ?

Le flux thermique est noté P (ou Φ) et s'exprime en watts (W).

Qu'est-ce qu'un bon isolant thermique ?

Un bon isolant a une faible conductivité thermique λ (W·m⁻¹·K⁻¹) : laine de verre, polystyrène, air immobile, liège.

Lycée · 2ⁿᵈᵉ · Physique-Chimie (2nde)

Transferts thermiques

Conduction, convection, rayonnement : comprendre les échanges d'énergie thermique (thème Énergie, lycée 2nde)

À propos de cette page

Ce cours de physique-chimie (2nde) en seconde sur « Transferts thermiques » suit le programme officiel de physique-chimie (2nde) de seconde. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Énergie thermique et température, Les trois modes de transferts thermiques, La conduction thermique, La convection thermique. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de seconde à réussir en physique-chimie (2nde).

Énergie thermique et température

L'énergie thermique (ou chaleur) d'un corps est liée à l'agitation désordonnée de ses atomes et molécules. Plus le corps est chaud, plus cette agitation est grande et plus son énergie thermique est élevée.

Définition. La température $T$ (en kelvins, K, ou en degrés Celsius, °C) est une grandeur macroscopique qui caractérise l'état thermique d'un système. La relation entre les deux unités est : $T(K) = T(°C) + 273{,}15$.

Lorsque deux corps à températures différentes sont mis en contact, de l'énergie se transfère spontanément du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jusqu'à l'équilibre thermique (même température).

Exemple. Un glaçon sorti du congélateur (−18 °C ≈ 255 K) placé dans un verre d'eau (20 °C ≈ 293 K) se réchauffe tandis que l'eau se refroidit, jusqu'à l'équilibre.

Attention ! Le froid ne « se propage » pas : c'est toujours l'énergie thermique qui se transfère du chaud vers le froid. Le glaçon ne « donne pas du froid » à l'eau.

Les trois modes de transferts thermiques

Il existe trois modes de transferts thermiques, distincts par leur mécanisme physique :

Mode	Milieu nécessaire	Mécanisme	Exemples
Conduction	Solide (ou fluide immobile)	Chocs entre atomes voisins	Poignée de casserole, mur d'une maison
Convection	Fluide (liquide ou gaz) en mouvement	Déplacement de matière	Radiateur à eau, vent, courants marins
Rayonnement	Aucun (vide possible)	Ondes électromagnétiques (IR…)	Chaleur du soleil, four à micro-ondes

Schéma — Les trois modes de transferts thermiques.

Astuce. En réalité, ces trois modes coexistent souvent : un radiateur chauffe par convection (l'air chaud monte) ET par rayonnement infrarouge.

La conduction thermique

La conduction est le transfert d'énergie thermique au sein d'un matériau ou entre deux solides en contact, sans déplacement macroscopique de matière. Les atomes/molécules transmettent leur agitation à leurs voisins.

Conductivité thermique. Chaque matériau est caractérisé par sa conductivité thermique $\lambda$ (lambda), exprimée en W·m⁻¹·K⁻¹. Plus $\lambda$ est élevé, meilleur est le conducteur thermique.

Matériau	$\lambda$ (W·m⁻¹·K⁻¹)	Propriété
Cuivre	385	Très bon conducteur
Aluminium	237	Bon conducteur
Verre	1	Conducteur moyen
Bois	0,15	Isolant modéré
Laine de verre	0,04	Très bon isolant
Air immobile	0,025	Excellent isolant

Exemple. Une cuillère en métal laissée dans une tasse de café devient vite chaude par conduction, tandis qu'une cuillère en bois reste tiède.

Attention ! L'air est un bon isolant thermique uniquement lorsqu'il est immobile. Dès qu'il se déplace, il transporte de la chaleur par convection.

La convection thermique

La convection est le transfert d'énergie thermique par déplacement de matière (fluide : liquide ou gaz). On distingue :

Convection naturelle : due aux différences de densité liées à la température. Un fluide chaud, moins dense, monte ; le fluide froid, plus dense, descend → création de courants de convection.
Convection forcée : le fluide est mis en mouvement par un dispositif extérieur (pompe, ventilateur).

Exemple. Dans une casserole d'eau chauffée par le bas, l'eau chaude du fond monte et l'eau froide descend : c'est de la convection naturelle. Un ventilateur de radiateur crée de la convection forcée.

Courants de convection. Les mouvements cycliques du fluide dus aux différences de densité s'appellent courants de convection. Ils jouent un rôle essentiel dans les phénomènes atmosphériques et océaniques.

Astuce. Pour limiter la convection dans un isolant (comme la laine de verre), on piège l'air dans de petites poches immobiles. C'est pourquoi de nombreux isolants sont poreux ou fibreux.

Le rayonnement thermique

Tout corps dont la température est supérieure au zéro absolu (0 K) émet des ondes électromagnétiques. Ce transfert d'énergie ne nécessite aucun support matériel et peut se propager dans le vide.

Rayonnement infrarouge. Pour les corps à température ambiante ou modérée, ce rayonnement se situe dans le domaine infrarouge (IR) du spectre électromagnétique. Le Soleil émet aussi dans le visible et l'UV.

L'énergie reçue par rayonnement dépend :

De la température de la source (plus elle est élevée, plus le rayonnement est intense).
De la nature de la surface du corps : une surface noire mate est un meilleur émetteur ET absorbeur de rayonnement qu'une surface blanche ou réfléchissante.

Exemple. Le Soleil chauffe la Terre à distance (150 millions de km) par rayonnement, sans support matériel (vide spatial). C'est pourquoi les astronomes parlent de « flux solaire ».

Attention ! Le rayonnement IR n'est pas de la lumière visible. On le perçoit comme de la chaleur (main posée près d'un radiateur éteint mais tiède).

Flux thermique et résistance thermique

Le flux thermique $P$ (ou $\Phi$) mesure la quantité d'énergie thermique transférée par unité de temps :

Définition. $$P = \frac{\Delta E}{\Delta t}$$ où $\Delta E$ est l'énergie transférée (en joules, J) et $\Delta t$ la durée (en secondes, s). Le flux thermique s'exprime en watts (W).

Pour un mur plan en conduction, le flux dépend de l'écart de température :

Loi de Fourier (forme simplifiée). $$P = \lambda \cdot S \cdot \frac{\Delta T}{e}$$ où $S$ est la surface du mur (m²), $e$ son épaisseur (m), $\Delta T = T_1 - T_2$ la différence de température entre les deux faces (K ou °C) et $\lambda$ la conductivité thermique (W·m⁻¹·K⁻¹).

Résistance thermique. On définit la résistance thermique $R_{th}$ d'un matériau (en K·W⁻¹ ou m²·K·W⁻¹ pour la résistance surfacique) : $$R_{th} = \frac{e}{\lambda \cdot S}$$ Plus $R_{th}$ est grand, plus l'isolant est efficace.

Exemple. Un mur en béton ($\lambda = 1{,}75$ W·m⁻¹·K⁻¹, $e = 0{,}20$ m, $S = 10$ m²) avec $\Delta T = 20$ °C : $P = 1{,}75 \times 10 \times \frac{20}{0{,}20} = 1750$ W. Soit 1,75 kW perdu en permanence !

Comparaison du flux thermique selon le matériau isolant (mur de 10 m², ΔT = 20 °C, épaisseur 10 cm).

Isolation thermique et bilan énergétique

L'isolation thermique vise à réduire les transferts d'énergie entre l'intérieur et l'extérieur d'un bâtiment (ou d'un objet). Elle agit sur les trois modes :

Conduction : utiliser des matériaux à faible $\lambda$ (laine de verre, polystyrène, liège…).
Convection : piéger l'air dans des alvéoles pour l'immobiliser (double vitrage, matériaux poreux).
Rayonnement : utiliser des surfaces réfléchissantes (couvertures de survie argentées, toitures réfléchissantes).

Bilan énergétique. Pour un bâtiment à l'état stationnaire (température intérieure constante), l'énergie fournie par le chauffage doit compenser exactement les pertes thermiques : $$P_{\text{chauffage}} = P_{\text{pertes}}$$

Astuce. Le double vitrage combine plusieurs effets : la lame d'air entre les deux vitres réduit la conduction (air peu conducteur) et limite la convection (air peu mobile). On parle de « lame d'air » ou de gaz argon pour encore mieux isoler.

Profil de température à travers un mur non isolé (béton) et un mur isolé (laine de verre) — l'isolant maintient la chaleur côté intérieur.

Exemples et applications

Les transferts thermiques sont omniprésents dans la vie quotidienne et les technologies :

Thermos (bouteille isotherme) : double paroi en verre/acier (↓ conduction), vide entre les parois (↓ convection et conduction), paroi réfléchissante argentée (↓ rayonnement).
Radiateur à eau chaude : l'eau transporte l'énergie par convection forcée ; le radiateur chauffe l'air ambiant par convection naturelle et rayonnement IR.
Effet de serre : l'atmosphère absorbe le rayonnement IR émis par la Terre (qui a absorbé le rayonnement solaire visible) et le renvoie vers la surface.
Vêtements techniques : fibres creuses piégeant l'air (isolant), lamine réfléchissante contre la pluie et le vent.

Exemple — couverture de survie. Elle est argentée (réfléchissante) des deux côtés : côté corps, elle renvoie le rayonnement IR émis par la personne ; côté extérieur, elle réfléchit le rayonnement solaire et la pluie.

Attention ! L'effet de serre naturel est indispensable à la vie sur Terre (sans lui, T moyenne ≈ −18 °C). C'est son renforcement anthropique (CO₂, CH₄…) qui pose un problème climatique.

À retenir — Transferts thermiques

L'énergie thermique se transfère spontanément du chaud vers le froid.
Il existe 3 modes : conduction (solide, agitation atomique), convection (fluide en mouvement) et rayonnement (ondes EM, sans support).
La conductivité thermique $\lambda$ (W·m⁻¹·K⁻¹) caractérise un matériau : faible $\lambda$ = bon isolant.
Flux thermique : $P = \lambda \cdot S \cdot \frac{\Delta T}{e}$ (W) — plus $\Delta T$ est grand, plus le transfert est rapide.
L'isolation thermique réduit simultanément conduction, convection et rayonnement.

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