Les différents types de transferts thermiques : par conduction, par convection ou par rayonnement

Pour étudier les variations d'énergie d'un corps, il est nécessaire de bien délimiter le système, c'est-à-dire le domaine d'étude. Tout ce qui n'appartient pas au système est l'extérieur ou milieu extérieur.

L'énergie transférée thermiquement est notée Q. Son unité est le joule (J).

L'énergie reçue par un système, sous forme de transfert thermique, est comptée positivement (Q > 0) ; l'énergie cédée par ce système est comptée négativement (Q < 0). Quand un système subit une transformation sans transfert thermique (Q = 0).

Un système est dit isolé, s'il n'y a aucun transfert d'énergie (travail, chaleur, énergie rayonnante) entre le système et le milieu extérieur.

Remarque : La température d'un système ne change pas obligatoirement lors d'un transfert thermique avec l'extérieur. Au cours d'un changement d'état (fusion, vaporisation,...), la température du système étudié reste constante mais le système échange de l'énergie avec l'extérieur pour modifier sa structure.

Le travail mécanique (sous forme de mouvement) peut-être utilisé pour modifier la température d'un système (expérience de Joule).
Lorsque la température d'un système se modifie au contact d'un autre système, on parle de conduction thermique. L'énergie du système est modifiée, il y a bien transfert d'énergie.

Exemples : La glace se réchauffe au contact de l'atmosphère. L'eau d'une casserole sur la cuisinière chauffe au contact du matériau de la casserole. Un métal porté à une température donnée peut se refroidir ou s'échauffer au contact d'un autre métal porté à une température différente.

C'est l'agitation des molécules d'un système et les chocs entre ces molécules qui sont responsables de la conduction thermique. Il y a interaction entre les molécules du système et l'environnement (milieu extérieur). De l'énergie cinétique est transférée d'une molécule à une autre.

Remarque : Dans le cas des liquides ou des gaz, il s'agit de chocs entre les molécules et de vibrations de particules dans le cas des solides.

Lorsque la modification de température se fait avec déplacement de matière, on parle alors de convection thermique.

Exemple : Quand on chauffe de l'eau liquide dans une casserole, la température de l'eau est modifiée car la casserole, en contact avec l'eau, élève sa température (conduction thermique). L'eau chaude plus « légère » monte alors que l'eau froide descend. Il y a déplacement de matière : c'est la convection, deuxième mode de transfert thermique en plus de la conduction.

Lorsqu'une source d'énergie qui n'est pas en contact avec un système modifie son énergie, on parle de rayonnement thermique.

Exemple : Le soleil chauffe les corps, c'est le rayonnement. Le soleil (source d'énergie) n'est pas en contact avec le corps qu'il chauffe. La température du corps augmente, grâce à l'énergie lumineuse, donc son énergie aussi : le rayonnement est bien un mode de transfert d'énergie.