Lorsque vous marchez sur votre tapis par une froide journée d'hiver, il ne fait pas froid aux pieds. Cependant, une fois que vous entrez sur le carrelage de votre salle de bain, vos pieds se sentent immédiatement froids. Les températures des deux étages sont-elles différentes?

Vous ne vous attendriez certainement pas à ce qu'elles soient, étant donné ce que vous savez sur l'équilibre thermique. Alors pourquoi se sentent-ils si différents? La raison est liée à la conductivité thermique.
Transfert de chaleur

La chaleur est l'énergie qui se transfère entre deux matériaux en raison des différences de température. La chaleur s'écoule de l'objet de température plus élevée vers l'objet de température plus basse jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit atteint. Les méthodes de transfert de chaleur incluent la conduction thermique, la convection et le rayonnement.

La conduction thermique
est le mode discuté plus en détail plus loin dans cet article, mais brièvement c'est le transfert de chaleur par contact direct. Essentiellement, les molécules de l'objet plus chaud transfèrent leur énergie aux molécules de l'objet plus froid via des collisions jusqu'à ce que les deux objets aient la même température.

Dans la convection
, la chaleur est transférée par le mouvement. Imaginez l'air de votre maison par une froide journée d'hiver. Avez-vous remarqué que la plupart des radiateurs sont généralement situés près du sol? Lorsque les radiateurs réchauffent l'air, cet air se dilate. Quand il se dilate, il devient moins dense et s'élève donc au-dessus de l'air plus frais. L'air plus frais se trouve alors près du radiateur, de sorte que l'air peut se réchauffer, se dilater et ainsi de suite. Ce cycle crée des courants de convection et provoque la dispersion de l'énergie thermique dans l'air de la pièce en mélangeant l'air pendant qu'il est chauffé.

Les atomes et les molécules libèrent un rayonnement électromagnétique
, qui est une forme d'énergie qui peut voyager à travers le vide de l'espace. C'est ainsi que l'énergie thermique d'un feu chaud vous parvient et comment l'énergie thermique du soleil se dirige vers la Terre.
Définition de la conductivité thermique

La conductivité thermique est une mesure de la facilité avec laquelle l'énergie thermique est chauffée. se déplace à travers un matériau ou comment ce matériau peut transférer la chaleur. La qualité de la conduction thermique dépend des propriétés thermiques du matériau.

Considérez le carrelage dans l'exemple du début. C'est un meilleur conducteur que le tapis. Vous pouvez le dire simplement par la sensation. Lorsque vos pieds sont sur le carrelage, la chaleur vous laisse beaucoup plus vite que lorsque vous êtes sur le tapis. En effet, la tuile permet à la chaleur de vos pieds de la traverser beaucoup plus rapidement.

Tout comme la capacité thermique spécifique et les chaleurs latentes, la conductivité est une propriété spécifique au matériau en question. Il est désigné par la lettre grecque κ (kappa) et est généralement recherché dans un tableau. Les unités de conductivité SI sont watts /mètre × Kelvin (W /mK).

Les objets à haute conductivité thermique sont de bons conducteurs tandis que les objets à faible conductivité thermique sont de bons isolants. Un tableau des valeurs de conductivité thermique est donné ici.

Comme vous pouvez le voir, les objets qui sont souvent "froids" au toucher, comme les métaux, sont de bons conducteurs. Notez également la qualité de l'air d'un isolant thermique. C'est pourquoi les grosses vestes moelleuses vous gardent au chaud en hiver: elles emprisonnent une grande couche d'air autour de vous. La mousse de polystyrène est également un excellent isolant, c'est pourquoi elle est utilisée pour garder les aliments et les boissons au chaud ou au froid.
Comment la chaleur se déplace à travers un matériau

Alors que la chaleur diffuse à travers le matériau, un gradient de température existe à travers le matériau de l'extrémité la plus proche de la source de chaleur à l'extrémité la plus éloignée de celle-ci.

Lorsque la chaleur se déplace à travers le matériau et avant que l'équilibre ne soit atteint, l'extrémité la plus proche de la source de chaleur sera la plus chaude et la température diminuer linéairement à son niveau le plus bas à l'extrémité. Cependant, à mesure que le matériau se rapproche de l'équilibre, ce gradient s'aplatit.
Conductance thermique et résistance thermique

La façon dont la chaleur peut se déplacer si un objet dépend non seulement de la conductivité de cet objet, mais de la taille et de la forme de l'objet aussi. Imaginez une longue tige métallique conduisant la chaleur d'un bout à l'autre. La quantité d'énergie thermique qui peut passer par unité de temps dépendra de la longueur de la tige ainsi que de la taille de la tige. C'est là que la notion de conductance thermique entre en jeu.

La conductance thermique d'un matériau, comme une tige de fer, est donnée par la formule:
C \u003d \\ frac {\\ kappa A} { L}

où A
est la surface en coupe transversale du matériau, L
est la longueur et κ est la conductivité thermique. Les unités de conductance SI sont W /K (watts par Kelvin). Cela permet d'interpréter κ comme la conductance thermique d'une unité de surface par unité d'épaisseur.

Inversement, la résistance thermique est donnée par:
R \u003d \\ frac {L} {\\ kappa A}

C'est simplement l'inverse de la conductance. La résistance est une mesure du degré d'opposition à l'énergie thermique qui la traverse. La résistivité thermique est également définie comme 1 /κ.

La vitesse à laquelle l'énergie thermique Q
se déplace à travers la longueur L
du matériau lorsque la différence de température entre les extrémités est ΔT
est donné par la formule:
\\ frac {Q} {t} \u003d \\ frac {\\ kappa A \\ Delta T} {L}

Cela peut aussi s'écrire:
\\ frac {Q} {t} \u003d C \\ Delta T \u003d \\ frac {\\ Delta T} {R}

Notez que cela est directement analogue à ce qui se passe avec le courant en conduction électrique. En conduction électrique, le courant est égal à la tension divisée par la résistance électrique. La conductivité électrique et le courant électrique sont analogues à la conductivité thermique et au courant, la tension est analogue à la différence de température et la résistance électrique est analogue à la résistance thermique. Tous les mêmes calculs s'appliquent.
Applications et exemples

Exemple: Un igloo hémisphérique en glace a un rayon intérieur de 3 m et une épaisseur de 0,4 m. La chaleur s'échappe de l'igloo à une vitesse qui dépend de la conductivité thermique de la glace, κ \u003d 1,6 W /mK. À quelle vitesse l'énergie thermique doit-elle être générée en continu à l'intérieur de l'igloo afin de maintenir une température de 5 degrés Celsius à l'intérieur de l'igloo quand il fait -30 C à l'extérieur?

Solution: L'équation correcte à utiliser dans cette situation est l'équation d'avant:
\\ frac {Q} {t} \u003d \\ frac {\\ kappa A \\ Delta T} {L}

On vous donne κ, ΔT
est juste la différence la plage de température entre l'intérieur et l'extérieur et L
est l'épaisseur de la glace. Un
est un peu plus délicat. Pour trouver A
, vous devez trouver la surface d'un hémisphère. Ce serait la moitié de la surface d'une sphère, qui est 4π_r_ ^{2. Pour r
, vous pouvez choisir le rayon moyen (le rayon de l'intérieur de l'igloo + la moitié de l'épaisseur de la glace \u003d 3,2 m), donc l'aire est alors:
A \u003d 2 \\ pi r ^ 2 \u003d 2 \\ pi (3.2) ^ 2 \u003d 64.34 \\ text {m} ^ 2}

Tout brancher dans l'équation donne alors:
\\ frac {Q} {t} \u003d \\ frac {\\ kappa A \\ Delta T} {L} \u003d \\ frac {1,6 \\ times 64,34 \\ times 35} {0.4} \u003d 9,000 \\ text {Watts}

Application: Un dissipateur de chaleur est un appareil qui transfère la chaleur des objets à des températures élevées vers le l'air ou à un liquide qui transporte ensuite l'excès d'énergie thermique. La plupart des ordinateurs ont un dissipateur de chaleur attaché au CPU.

Le dissipateur de chaleur est en métal, qui éloigne la chaleur du CPU, puis un petit ventilateur fait circuler l'air autour du dissipateur de chaleur, provoquant l'énergie thermique se disperser. S'il est bien fait, le dissipateur thermique permet au CPU de fonctionner à l'état stable. Le bon fonctionnement du dissipateur thermique dépend de la conductivité du métal, de la surface, de l'épaisseur et du gradient de température qui peuvent être maintenus.