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Qu’est-ce que la conduction ?

Nous avons déjà défini la conduction thermique tout en apprenant le transfert de chaleur.
La conduction thermique est le transfert de chaleur de la partie la plus chaude de la matière vers sa partie la plus froide sans mouvement réel des particules.
Pendant le processus de conduction thermique, l’énergie thermique est transférée uniquement aux molécules successives. Dans ce processus, les molécules ne quittent pas du tout leur position moyenne. Donc dans la conduction les particules du milieu transfère la chaleur sans quitter la position moyenne.
La conduction de la chaleur n’a pas lieu dans les liquides et les solides. Cela se produit parce que les molécules des gaz et des liquides se déplacent au hasard ou dans une direction spécifique.

Comment fonctionne le transfert de chaleur par conduction

Lorsqu’une extrémité d’une barre métallique est chauffée, les molécules à cette extrémité commencent à vibrer de plus en plus vite. Ces particules à l’extrémité chaude ont une plus grande énergie cinétique de vibration par rapport aux particules qui ne sont pas directement exposées à la chaleur. Ces particules/molécules qui se déplacent plus rapidement entrent en collision avec leurs molécules voisines.

Pendant la collision, elles transfèrent une partie de leur énergie aux molécules voisines. Ainsi, les molécules qui se déplacent ou vibrent plus rapidement transmettent l’énergie thermique aux molécules voisines. Celles-ci, à leur tour, transfèrent une partie de leur énergie aux molécules voisines. Ainsi, l’énergie est transférée par collision moléculaire de l’extrémité chaude de l’objet à son extrémité froide. Le transfert de chaleur se poursuit jusqu’à ce que les deux extrémités de l’objet soient à la même température. De cette façon, l’énergie du mouvement thermique est transmise d’une molécule à l’autre en gardant leur position moyenne fixe.
Les substances solides qui conduisent facilement la chaleur sont de bons conducteurs de chaleur. Par exemple, l’argent, le cuivre, etc. Tous les métaux sont de bons conducteurs de chaleur.
Ces substances qui ne conduisent pas facilement la chaleur sont appelées de mauvais conducteurs de chaleur. Par exemple le bois, le tissu, l’air, le papier etc.En général, les bons conducteurs de chaleur sont aussi de bons conducteurs d’électricité.

Exemples de conduction au quotidien

• En hiver, la poignée métallique semble être plus froide que la porte en bois. Cela se produit parce que la poignée métallique est le bon conducteur de la chaleur et la chaleur passe de notre corps à la poignée. Donc, elle semble froide
• Les ustensiles de cuisine sont pourvus de poignées en bois. C’est parce que la poignée en bois ne permet pas la conduction de la chaleur de l’ustensile chaud à la main.
• Une couette neuve est plus chaude qu’une couette ancienne car la couette neuve contient plus d’air dans ses pores par rapport à la couette ancienne.
• Un réfrigérateur est pourvu de parois isolées pour minimiser les chances que la chaleur circule dans le réfrigérateur depuis l’extérieur.

Termes importants liés à la conduction

(1) L’état d’équilibre d’une substance:-

Pour comprendre l’état d’équilibre d’une substance, considérons une barre métallique solide. Nous chauffons maintenant une extrémité de la barre métallique. De cette façon, une extrémité de la barre est à une température plus élevée et une autre extrémité de la barre est à une température plus basse.De la discussion sur le transfert de chaleur par conduction, nous savons que l’énergie thermique est transférée uniquement aux molécules successives. Divisons la barre métallique solide en différents segments comme indiqué ci-dessous dans la figure

Ici, si la barre métallique n’est pas isolée, la chaleur se perd dans l’atmosphère par convection et rayonnement. Cela peut être évité en plaçant un matériau non conducteur autour de la barre.

Si nous commençons à fournir de la chaleur à la barre à l’extrémité P, alors chaque section de la barre reçoit de la chaleur de sa section précédente adjacente. C’est-à-dire que la section C recevra de la chaleur de la section B et la section B recevra de la chaleur de la section A.
Envisageons à nouveau les sections A, B et la section C. Maintenant, la section B reçoit de la chaleur de la section A. Une partie de la chaleur reçue est absorbée en raison de laquelle la température de la section B augmente. Une partie de cette chaleur reçue s’écoule dans l’atmosphère. La partie restante de la chaleur est transférée à la section adjacente C.
Dans cet état, la température de chaque section transversale de la barre. Continue à augmenter avec le temps. C’est l’état transitoire ou variable de la conduction thermique.

Ici, si la barre métallique n’est pas isolée, la chaleur se perd dans l’atmosphère par convection et rayonnement. Cela peut être évité en plaçant un matériau non conducteur autour de la barre.

Avec le passage du temps et l’apport continu de chaleur, on atteint un état où la température de chaque section devient uniforme. Dans cet état, aucune chaleur n’est absorbée par une section de la barre.

Cet état de la barre où la température de chaque section transversale de la barre devient constante et où il n’y a plus d’absorption de chaleur dans aucune partie est appelé Steady-State ou Stationery-State.

Il est important de noter ici que
(1) Les différentes sections de la barre métallique ont une température différente, mais la température de chaque section reste constante avec le passage du temps.
(2) La température diminue à mesure que je m’éloigne de l’extrémité chaude. La perte de chaleur dans l’atmosphère peut être évitée en recouvrant la barre métallique d’un matériau isolant. Dans ce cas, à un état stable, le transfert de chaleur total a lieu par conduction. De l’extrémité chaude (température plus élevée) de la barre à l’extrémité froide (température plus basse).

(2) Surface isotherme :-

La surface d’une substance dont toutes les particules ou molécules sont à la même température est appelée surface isotherme.

La figure 5 ci-dessous montre deux surfaces isothermes $P$ et $Q$. Ici la température de tous les points de la surface $P$ est la même. La température de la surface $P$ n’est pas la même que celle de la surface $Q$.

(3) Gradient de température :-

Le taux de variation de la température en fonction de la distance dans le sens du flux de chaleur est appelé gradient de température

Prenons la figure donnée ci-dessous. considérons la figure donnée ci-dessous

La figure ci-dessus représente deux surfaces isothermes P et Q. La surface P est à la température $(T+\Delta T)$ et la surface Q est à la température $T$.

Les sections $P$ et $Q$ de la figure ci-dessus sont des surfaces isothermes. Soit $\Delta x$ la distance normale entre ces deux surfaces.Or la température de la section $P$ est supérieure à celle de la section $Q$. Soit $(T+\Delta T)$ la température de la section $P$ et $T$ la température de la section $Q$ ; alors le gradient de température s’écrit comme
\begin{align} \text{grad.} T & = \frac{\text{change in Temp}}{\text{Distance normale} \\\\N & =\frac{T-(T+\Delta T)}{\Delta x} \\N & =-\frac{\Delta T}{\Delta x} \end{align}Le gradient de température est la quantité positive dans la direction de l’augmentation de la température. Puisque la chaleur circule toujours de la température la plus élevée vers la température la plus basse. Le gradient de température dans le sens du flux de chaleur a une valeur négative.

(4) Le taux de flux de chaleur :-

La quantité de chaleur transférée d’une région isotherme par unité de temps dans le sens de la propagation de la chaleur est appelée taux de flux de chaleur. Elle est notée $H$. On l’appelle aussi courant thermique.
Si $Q$ est la quantité de chaleur transférée en un temps t ; alors
$H=\frac{Q}{T}$ Les unités sont $Kcal{s ^{ – 1}}. $ , $J{s ^{ – 1}}$ et $cal{s ^{ – 1}}$

(5) Le débit spécifique du flux thermique:-

Le débit du flux thermique par unité de surface est appelé débit spécifique du flux thermique. Il est noté par $q$.$q=\frac{H}{A}$
Les unités sont $Kcal.{m^{ – 2}}{s^{ – 1}}$, $K{m^{ – 2}}{s^{ – 1}}$ et $Cal.cm^{ – 2}{s^{ – 1}}$. 1}}$

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Notes
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