vignette|upright=1.5|alt=Autour d'un feu, des mains reçoivent sa chaleur par rayonnement (sur le côté), par convection (au-dessus de ses flammes) et par conduction (à travers un ustensile en métal).|Les modes de transfert thermique : conduction, convection et rayonnement. Un transfert thermique, appelé plus communément chaleur , assorti d'un appel de note de bas de page qui explique : , est l'un des modes d'échange d'énergie interne entre deux systèmes, l'autre étant le travail : c'est un transfert d'énergie thermique qui s'effectue hors de l'équilibre thermodynamique. On distingue trois types de transfert thermique, qui peuvent coexister : la conduction, due à la diffusion progressive de l'agitation thermique dans la matière ; la convection, transfert thermique qui accompagne les déplacements macroscopiques de la matière ; le rayonnement, qui correspond à la propagation de photons.

La quantité de chaleur est la quantité d'énergie échangée par ces trois types de transferts, elle s'exprime en joules (J). Par convention, > 0 si le système reçoit de l'énergie. La thermodynamique s’appuie sur le concept de chaleur pour ériger le premier et le deuxième principe de la thermodynamique.

La signification du mot « chaleur » dans le langage courant entretient souvent des ambiguïtés et des confusions, notamment avec la température. S'il est vrai que les transferts thermiques spontanés se font depuis les régions de température plus élevée vers les régions de température plus basse, il est néanmoins possible de réaliser un transfert thermique d'un corps froid vers le corps chaud, à l'aide d'une machine thermique comme un réfrigérateur. Par ailleurs, lors d'un changement d'état, par exemple lors de l'ébullition, un corps pur ne change pas de température alors qu'il échange de l'énergie sous forme de chaleur.

L'exemple le plus simple de situation mettant en jeu un transfert thermique est celui de deux corps en contact ayant des températures différentes. Le corps le plus chaud cède de l'énergie au corps le plus froid par conduction ; sa température diminue, le désordre, l'agitation thermique, diminue. En contrepartie, la température du corps froid augmente, l'agitation thermique augmente en son sein.

Historique et évolution de la terminologie La , dans le langage courant, est souvent confondue avec la notion de température. Bien que très différentes d'un point de vue scientifique, les deux notions sont tout de même reliées et la genèse de la thermodynamique a parfois induit cette confusion. Les expressions comme « l'eau est chaude » pourrait faire croire, à tort, que la chaleur est une propriété du système alors qu'il s'agit d'un transfert d'énergie (de l'eau, chaude, vers l'environnement environnant, plus froid). Aussi, il est incorrect de dire « l'eau perd de la chaleur » lorsqu'elle refroidit. L'expression « transfert de chaleur » est un pléonasme pourtant très répandu.

Jusqu'au milieu du , les scientifiques pensaient majoritairement que la chaleur était constituée d'un fluide que l'on avait nommé le phlogistique (théorie du phlogistique).

Joseph Black propose l'idée que la chaleur est un fluide, le calorique, s'écoulant des corps chauds vers les corps froids. Antoine Lavoisier adopta la notion et défini la chaleur comme un fluide sans masse et indestructible.

Benjamin Thompson, comte Rumford, propose dans ses mémoires sur la chaleur (1804)., une théorie selon laquelle la chaleur serait liée à des mouvements au sein de la matière (mouvements des parties constituantes des corps, entre elles) mais aussi qui peut être transportée par des rayonnements calorifiques ou frigorifiques (ondulations rapides occasionnées dans le fluide éthéré ambiant). Sa théorie ne sera pas reprise dans l'immédiat.

Au , la chaleur est majoritairement assimilée à un fluide : le calorique. Les progrès et les succès de la calorimétrie imposent cette théorie jusqu'au milieu du . Cette conception est par exemple reprise par Sadi Carnot : un moteur thermique ne peut fonctionner que si la chaleur circule d'un corps dont la température est plus élevée vers un corps dont la température est plus faible ; raisonnement correspondant à une analogie avec une machine hydraulique qui tire son énergie du passage de l'eau d'un réservoir d'altitude élevée vers un réservoir d'altitude inférieure.

Ce n'est qu'avec l'avènement de la thermodynamique statistique que la chaleur sera définie comme un transfert de l'agitation thermique des particules au niveau microscopique. Un système dont les particules sont statistiquement plus agitées présentera une température d'équilibre, définie à l'échelle macroscopique, plus élevée. La température est donc une grandeur macroscopique qui est le reflet statistique des énergies cinétiques des particules à l'échelle microscopique. Au cours de chocs aléatoires, les particules les plus agitées transmettent leurs énergies cinétiques aux particules les moins agitées. Le bilan de ces transferts d'énergies cinétiques microscopiques correspond à la chaleur échangée entre des systèmes constitués de particules dont l'agitation thermique moyenne est différente.

La température est une fonction d'état intensive servant à décrire l'état d'équilibre d'un système alors que la chaleur est un transfert d'agitation thermique assimilable à une quantité d'énergie, associé à l'évolution d'un système entre deux états distincts ou identiques si la transformation est cyclique.

Modes de transferts thermiques Les modes fondamentaux de transfert thermique sont : la conduction ou diffusion : le transfert d'énergie entre objets en contact physique ; la convection : le transfert d'énergie entre un objet et son environnement, dû à un mouvement fluide ; le rayonnement : le transfert d'énergie par l'émission de rayonnement électromagnétique. Pour les quantifier, il est pratique d'utiliser le flux thermique , qui est la puissance échangée, en watts (W), ou encore mieux, la densité de flux thermique (ou flux thermique surfacique) en watts par mètre carré ().

Conduction vignette|Illustration de l'agitation thermique.

Le transfert par conduction est un échange d'énergie se réalisant sans déplacement de matière : il concerne donc les solides et les fluides immobilisés. Ce transfert peut se réaliser au sein d'un seul corps ou par contact entre deux corps. L'énergie thermique, ou vibration des atomes autour de leur position d'équilibre dans le solide, se transmet de proche en proche par un phénomène de diffusion. Les cristaux disposent d'un mode de transfert thermique supplémentaire particulier associé aux vibrations du réseau (voir phonon).

Dans le cas le plus simple d'une paroi d'épaisseur e solide dont les deux surfaces d'aire S présentent une différence de température homogène T1 – T2, le flux thermique dépend de la conductivité thermique λ du matériau () :

,

Rth est la résistance thermique de conduction.

Pour une étude plus approfondie, il faut exploiter la loi de Fourier :

.

C'est une loi de diffusion similaire à la loi de Fick qui décrit la diffusion de la matière.

Convection vignette|redresse|Illustration de mouvements de convection.

Le transfert thermique par convection est dû au déplacement de molécules qui induit un déplacement macroscopique de l'énergie thermique : il se produit dans les fluides (liquides ou gaz) et à l'interface entre un solide et un fluide. Ces molécules se déplaçant, elles transfèrent leur énergie thermique à une autre partie du système. On peut distinguer deux types de convection.

La convection naturelle (ou libre) est due à la différence de masse volumique entre les particules composant le fluide. Les particules des zones chaudes, de masse volumique plus faible, montent et laissent leur place à des particules plus froides ; elles cèdent une partie de l'énergie thermique et leur température diminue, ce qui les pousse à rejoindre une partie plus chaude. La convection forcée est due à la mise en mouvement du fluide par une action extérieure comme l'effet d'un ventilateur. Le mouvement accélère le transfert thermique.

Dans le cas le plus simple d'une paroi solide de surface S et de température homogène T1 en contact avec un fluide à la température T2 à grande distance de la paroi, le flux thermique dépend du coefficient de convection thermique h du matériau () :

,

Rth est la résistance thermique de convection. Autrement écrit, .

Le transfert thermique peut être formulé par la loi de refroidissement de Newton qui indique qu'il est proportionnel à la différence de température entre le corps étudié et son milieu environnant.

Rayonnement

Le rayonnement, parfois dit thermique, est un rayonnement électromagnétique. On l'associe souvent à un rayonnement infrarouge car c'est cette partie du spectre qui est le plus souvent prépondérante dans les échanges thermiques. Quelle que soit sa température, un corps émet un rayonnement, celui-ci est plus ou moins intense selon cette température. La longueur d'onde à laquelle est émise ce rayonnement dépend aussi de cette température. Ainsi, le rayonnement thermique émis par le Soleil est situé principalement dans le visible. Des corps plus froids comme les mammifères émettent quant à eux dans l'infrarouge. Ce mode de transfert est le seul à se réaliser dans le vide, cas du rayonnement solaire arrivant sur Terre. Néanmoins, celui-ci se réalise aussi dans les matériaux transparents. Il est important de le prendre en compte dans le cas des fortes températures ou simplement en l'absence de conduction et de convection.

Le corps noir est un corps théorique capable d'absorber la totalité du rayonnement qu'il reçoit. Il présente la propriété de respecter la loi de Planck et la loi du déplacement de Wien qui permettent de déterminer son spectre d'émission en fonction de sa température.

Le flux thermique surfacique, qui équivaut à une exitance énergétique, s'exprime par rapport à l'émission du corps noir dans la loi de Stefan-Boltzmann :

,

avec

: constante de Stefan-Boltzmann () ; : émissivité, indice valant 1 pour un corps noir et qui est compris entre 0 et 1 selon l’état de surface du matériau (sans dimension) ; : température du corps (K).

Si le corps récepteur réfléchit certaines longueurs d'onde ou est transparent à d'autres, seules les longueurs d'onde absorbées contribuent à son équilibre thermique. Si par contre le corps récepteur est un corps noir, c'est-à-dire qu'il absorbe tous les rayonnements électromagnétiques, alors tous les rayonnements contribuent à son équilibre thermique.

Comparaison des modes de transfert Mode de transfert Matière de transfert Milieu de transfert Transport de matière Conduction Solides et fluides Au sein d'un seul corps ou par contact entre deux corps Non Convection FluidesIl suffit, plus exactement, que le milieu puisse se déformer indéfiniment quand il est soumis à une contrainte maintenue durablement. C'est le cas des fluides au sens propre (liquides et gaz) mais aussi des solides rhéologiques à très long terme. Le manteau terrestre, notamment, se comporte comme un solide élastique à court terme (d'une fraction de seconde à plusieurs années), mais comme un fluide à l'échelle de millions ou milliards d'années : il est soumis à des courants de convection (convection mantellique). Au sein d'un seul fluide ou au contact entre un solide et un fluide Oui Rayonnement Solides, fluides et vide À partir d'un corps rayonnant vers un autre Non

Combinaison des modes de transfert Le transfert d'énergie par chaleur se réalise généralement par une combinaison de plusieurs modes de transfert. Par exemple, un chauffage central, combine successivement la convection (en général forcée) pour chauffer le circuit du fluide caloporteur à partir de la chaudière, puis la conduction pour chauffer les parois du radiateur qui à leur tour réchauffent l'air en contact, et enfin la convection (en général naturelle) de l'air associée au rayonnement de la masse du radiateur (d'où le nom de ce dernier).