Mécanismes de transfert thermique - Cours de SVT Terminale S avec Maxicours - Lycée

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Mécanismes de transfert thermique

Objectif(s)
Comment l’énergie interne est-elle dissipée à la surface de la Terre ?
Il existe deux modes de transfert d’énergie thermique : la convection et la conduction.
1. La conduction
La conduction est un mode de transfert d’énergie thermique qui ne nécessite pas de mouvements de matière. La chaleur est transférée de proche en proche par simple agitation des atomes. Plus la différence de température entre deux matériaux est importante, plus ce transfert sera efficace. Par contre, il dépend aussi de la conductivité thermique des matériaux.

À l’échelle du globe, la lithosphère est le siège de phénomènes de conduction rendant compte du flux géothermique observé. La limite noyau-manteau libère aussi de l’énergie par conduction en direction du manteau.

Le géotherme dépend du mode de transfert thermique. Dans le cas de la conduction, la température augmente proportionnellement avec la profondeur. Mais le géotherme dépend aussi des propriétés conductrices et de la composition des roches. Les variations de géotherme observables à la surface de la planète sont donc directement liées aux différences de conductivité des roches.

La péridotite, roche constituant le manteau, présente une conductivité plus élevée (4,2 à 5,8 W.m-1.K-1) que le granite (2,5 à 3,8 W.m-1.K-1) et les roches de la croûte océanique, comme le gabbro et le basalte (1,7 à 2,5 W.m-1.K-1) ou les roches sédimentaires comme le calcaire (1,7 à 3,3 W.m-1.K-1).
Toutefois, les roches terrestres présentent des conductivités thermiques plutôt faibles (conductivité thermique de l’argent : 420 W.m-1.K-1, de l’eau : 6 W.m-1.K-1) qui limitent les transferts d’énergie et favorisent le stockage de la chaleur.
Comparé à une roche sédimentaire aura des propriétés bien plus isolantes qu'une roche magmatique comme la péridotite.

2. La convection
Le mouvement de convection est un phénomène facilement observable lorsqu'on chauffe de l'eau.
Si on chauffe un récipient rempli d’eau par sa base et qu'on suit l’évolution de la température de l’eau en bas et en haut du récipient, on constate que la température augmente de la même façon aux deux niveaux. Il y a donc un transfert de chaleur de la base vers la surface du volume d’eau.
Dans ce cas, l’eau chauffée à la base remonte à la surface où elle se refroidit en libérant la chaleur. Une fois refroidie, elle redescend à la base ; elle décrit ainsi un mouvement de convection.

La convection est donc un mode de transfert d’énergie thermique qui ne peut se réaliser que dans un matériau ayant un comportement fluide. Soumis à une quantité de chaleur supérieure à celle qu’il peut évacuer, il s’échauffe, devient moins dense et remonte à la surface puis redescend une fois refroidi.
Ce mouvement tend à homogénéiser les températures.

C'est la couche inférieure du manteau qui va être animée de mouvements de convection permettant la remontée à la surface de l’énergie interne. Cette dynamique permet le mouvement des plaques lithosphériques.

Les dorsales océaniques sont le siège de la remontée de l’énergie interne par convection alors que les zones de subduction sont le siège de la descente de la matière refroidie. Ces mouvements sont visibles grâce à la tomographie sismique qui permet de distinguer les zones chaudes des zones froides à l’intérieur du globe.

L'essentiel
Les roches sont des matériaux présentant une faible conductivité thermique.
Ainsi, lors de son échauffement dans le manteau, la roche va devenir ductile (malléable). La matière chaude va remonter à la surface où elle va se refroidir pour ensuite redescendre. Elle est donc animée d’un mouvement de convection.

La remontée de matière se fait à l’aplomb des dorsales tandis que la descente de matière se fait au niveau des zones de subduction.

Une fois à la surface, la chaleur se dissipe par conduction.
Le flux géothermique rend compte de cette dissipation hétérogène : elle est maximale au niveau des dorsales et des points chauds. Elle est élevée au niveau des zones où la croûte continentale est la plus mince (bassin sédimentaire, fossés d’effondrement).

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