La chaleur, un mode de transfert d'énergie

Lorsque deux systèmes à des températures différentes sont mis en contact, de l'énergie est transférée spontanément du système chaud vers le système froid, sans transport de matière. Cette énergie transférée est appelée chaleur, notée $Q$, et s'exprime en joules ($J$). Le transfert cesse lorsque les deux systèmes atteignent la même température : on parle d'équilibre thermique.

Température et agitation thermique

La température $T$ traduit le degré d'agitation microscopique des particules d'un système. Elle s'exprime en kelvins ($K$) ou en degrés Celsius ($°C$), avec la relation $T(K)=T(°C)+273,15$. Contrairement à la chaleur, la température est une grandeur d'état qui caractérise le système à un instant donné, alors que $Q$ caractérise un échange entre deux instants.

Capacité thermique massique

Pour élever la température d'un corps sans changer son état, il faut lui fournir une quantité de chaleur proportionnelle à sa masse $m$ et à la variation de température $\Delta T$ : $Q=m\cdot c\cdot \Delta T$. Le coefficient $c$, appelé capacité thermique massique, dépend de la nature du corps et s'exprime en $J\cdot k{g}^{-1}\cdot K^{-1}$. L'eau possède une capacité thermique élevée ($c_{eau}=4180J\cdot k{g}^{-1}\cdot K^{-1}$), ce qui explique son rôle de régulateur thermique dans le climat et le corps humain.

Changements d'état et chaleur latente

Lors d'un changement d'état (fusion, vaporisation, etc.), la température du corps reste constante tant que le changement n'est pas achevé : toute l'énergie fournie sert à réorganiser la matière à l'échelle microscopique, pas à l'échauffer. La quantité de chaleur nécessaire s'écrit $Q=m\cdot L$, où $L$ est la chaleur latente massique de changement d'état, exprimée en $J\cdot k{g}^{-1}$.

Transfert par conduction

La conduction thermique est un transfert d'énergie de proche en proche au sein d'un milieu matériel, sans déplacement macroscopique de matière ; elle domine dans les solides. Le flux thermique $\phi$ à travers une paroi d'épaisseur $e$, de surface $S$ et de conductivité thermique $\lambda$ vérifie la loi de Fourier : $\phi =\lambda \cdot S\cdot \frac{\Delta T}{e}$.

Transfert par convection

La convection concerne les fluides (liquides, gaz) : elle combine conduction et déplacement macroscopique de matière (mouvements de convection). Le flux échangé entre une paroi et un fluide suit la loi de Newton : $\phi =h\cdot S\cdot \Delta T$, où $h$ est le coefficient de convection.

Transfert par rayonnement

Le rayonnement thermique est un transfert d'énergie par ondes électromagnétiques, ne nécessitant aucun support matériel : il se propage même dans le vide. Il est régi par la loi de Stefan-Boltzmann : $\phi =\epsilon \cdot \sigma \cdot S\cdot T^4$, avec $\sigma =5,67\times 10^{-8}W\cdot m^{-2}\cdot K^{-4}$.

Bilan calorimétrique

Dans un système isolé (calorimètre idéal, sans pertes vers l'extérieur), la somme algébrique des quantités de chaleur échangées entre les corps en présence est nulle : $\sum Q_i=0$. Cette relation permet de déterminer une température d'équilibre ou une capacité thermique inconnue.

Isolation thermique et applications

La résistance thermique $R_{th}=\frac{e}{\lambda \cdot S}$ permet de comparer l'efficacité d'isolants. Un bon isolant possède une faible conductivité $\lambda$, donc une résistance thermique élevée pour une épaisseur donnée, ce qui limite les pertes par conduction — un principe essentiel dans l'habitat, les glacières ou les vêtements techniques.