Les trois modes de transfert thermique | 1ère Bac Pro ERA-MA | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 30 juin 2026
Capacités et connaissances du programme :
C1 — Identifier les 3 modes de transfert thermique (conduction, convection, rayonnement)
C2 — Calculer un flux thermique conductif \(\varphi = \lambda S \Delta T / e\)
C3 — Calculer une résistance thermique \(R = e / (\lambda S)\)
C4 — Interpréter la résistance thermique (isolation)
C5 — Appliquer dans le contexte des matériaux de menuiserie (bois, vitrage, isolants)
C1 — Identifier les 3 modes de transfert thermique
Rappel de cours
Conduction : transfert dans un solide de proche en proche, sans déplacement de matière. Ex : chaleur traversant un mur.
Convection : transfert par déplacement d'un fluide (air, eau). Ex : radiateur qui chauffe l'air d'une pièce.
Rayonnement : transfert par ondes électromagnétiques, sans support matériel. Ex : chaleur du soleil.
Exercice 1
Identifier le mode de transfert thermique dans chaque situation :
La chaleur se propage à travers une planche de chêne.
Un radiateur à eau chaude réchauffe l'air d'un atelier.
Le soleil réchauffe une fenêtre vitrée.
La chaleur des doigts réchauffe une poignée de porte en métal.
Conduction : transfert dans le solide (bois).
Convection : l'air chaud monte et se déplace.
Rayonnement : ondes électromagnétiques du soleil.
Conduction : contact direct métal–doigt.
Exercice 2
Un technicien d'agencement installe une fenêtre. Citer un exemple de chaque mode de transfert thermique dans une fenêtre en fonctionnement hivernal.
Conduction : la chaleur traverse le verre et le cadre bois/PVC.
Convection : l'air chaud intérieur refroidit au contact du vitrage et descend (courant d'air froid).
Rayonnement : le vitrage et son environnement échangent du rayonnement infrarouge ; en hiver, l'échange net se fait du côté le plus chaud vers le côté le plus froid.
Exercice 3
Associer chaque mode de transfert à sa caractéristique principale :
A — Se produit dans le vide (espace sans matière).
B — Se transmet de proche en proche dans un milieu matériel, sans déplacement macroscopique de matière.
C — Implique le déplacement d'un fluide (liquide ou gaz).
A → Rayonnement
B → Conduction
C → Convection
C2 — Calculer un flux thermique conductif
Rappel de cours
Le flux thermique par conduction est : \(\varphi = \dfrac{\lambda \cdot S \cdot \Delta T}{e}\)
\(\varphi\) : flux thermique en watts (W)
\(\lambda\) : conductivité thermique du matériau en W/(m·K)
\(S\) : surface de la paroi en m²
\(\Delta T\) : différence de température en K (ou °C)
\(e\) : épaisseur de la paroi en m
Exercice 4
Un panneau de chêne massif a les caractéristiques suivantes : \(\lambda = 0{,}17\) W/(m·K), \(e = 0{,}04\) m, \(S = 2\) m². La température est de 20°C d'un côté et 5°C de l'autre. Calculer le flux thermique traversant ce panneau.
\(\Delta T = 20 - 5 = 15\) K
\(\varphi = \dfrac{0{,}17 \times 2 \times 15}{0{,}04} = \dfrac{5{,}1}{0{,}04} = \mathbf{127{,}5}\) W
Exercice 5
Un vitrage simple de surface \(S = 1{,}5\) m², d'épaisseur \(e = 4\) mm = 0,004 m et de conductivité \(\lambda = 1{,}0\) W/(m·K). \(\Delta T = 18\) K. Calculer le flux thermique perdu.
\(\varphi = \dfrac{1{,}0 \times 1{,}5 \times 18}{0{,}004} = \dfrac{27}{0{,}004} = \mathbf{6\,750}\) W = 6,75 kW Ce résultat est celui du modèle de conduction dans le verre seul, avec les températures de ses deux faces imposées. Il ne représente pas les pertes d'une fenêtre complète, qui dépendent aussi des échanges aux surfaces, du cadre et de la pose.
Exercice 6
Une paroi en épicéa (\(\lambda = 0{,}13\) W/(m·K)) d'épaisseur 60 mm et de surface 6 m² laisse passer un flux de 78 W. Calculer la différence de température entre les deux faces.
\(\varphi = \dfrac{\lambda S \Delta T}{e}\) donc \(\Delta T = \dfrac{\varphi \cdot e}{\lambda \cdot S} = \dfrac{78 \times 0{,}06}{0{,}13 \times 6} = \dfrac{4{,}68}{0{,}78} = \mathbf{6}\) K = 6°C
C3 — Matériaux de menuiserie : bois, vitrage, isolants
Conductivités thermiques de référence
Matériau
\(\lambda\) (W/(m·K))
Chêne, hêtre
0,17 – 0,20
Épicéa, sapin
0,12 – 0,15
Verre simple
0,96 – 1,05
Laine de roche/verre
0,032 – 0,040
Polystyrène expansé
0,030 – 0,040
Air
0,026
Exercice 7
Classer les matériaux suivants du moins isolant au plus isolant : verre simple, chêne, laine de roche, polystyrène expansé.
Plus \(\lambda\) est grand, moins le matériau est isolant :
Ordre du moins isolant au plus isolant : Verre simple (\(\lambda \approx 1\)) > Chêne (\(\lambda \approx 0{,}17\)) > Laine de roche (\(\lambda \approx 0{,}036\)) ≈ Polystyrène (\(\lambda \approx 0{,}035\))
Exercice 8
Approfondissement — relation fournie : dans ce modèle plan, les résistances surfaciques \(e/\lambda\) des couches en série s'additionnent. Un fabricant de meubles conçoit un panneau sandwich : deux plaques de contreplaqué de 10 mm (\(\lambda = 0{,}15\) W/(m·K)) encadrant de la laine de roche de 60 mm (\(\lambda = 0{,}036\) W/(m·K)). Calculer la résistance thermique surfacique totale.
\(R_{\text{bois}} = \dfrac{0{,}01}{0{,}15} = 0{,}067\) m²·K/W (par couche) → 2 couches : \(0{,}133\) m²·K/W
\(R_{\text{laine}} = \dfrac{0{,}06}{0{,}036} = 1{,}67\) m²·K/W
\(R_{total} = 0{,}133 + 1{,}67 = \mathbf{1{,}80}\) m²·K/W
L'isolation est assurée à 93 % par la laine de roche.
Exercice 9
Un menuisier agenceur compare une fenêtre simple vitrage (\(e = 4\) mm, \(\lambda = 1\), \(S = 1{,}2\) m²) et une fenêtre double vitrage avec lame d'air de 12 mm (modélisée comme une couche d'air : \(\lambda = 0{,}026\), \(e = 12\) mm). Calculer la résistance thermique surfacique de la lame d'air seule et commenter.
\(R_{\text{air}} = \dfrac{0{,}012}{0{,}026} \approx 0{,}46\) m²·K/W
\(R_{\text{verre simple}} = \dfrac{0{,}004}{1} = 0{,}004\) m²·K/W
Dans ce modèle de conduction pure, la résistance calculée pour la lame d'air est 115 fois supérieure à celle d'une plaque de verre simple. Une fenêtre réelle échange aussi par convection et par rayonnement dans la lame, et ses performances dépendent des deux vitrages, d'un éventuel traitement faible émissivité, du cadre et de la pose : le rapport 115 ne doit pas être interprété comme le gain réel de la fenêtre complète.
C4 — Aller plus loin : Calculer une résistance thermique
Rappel de cours
La résistance thermique d'une paroi est : \(R_{th} = \dfrac{e}{\lambda \cdot S}\) (en K/W)
Plus \(R_{th}\) est grand, plus la paroi est isolante (s'oppose au transfert de chaleur).
On peut aussi travailler par unité de surface : \(R = e / \lambda\) (en m²·K/W).
Exercice 10
Calculer la résistance thermique d'une porte en chêne (\(\lambda = 0{,}17\) W/(m·K)), d'épaisseur 40 mm, de surface 2 m².
Comparer les résistances thermiques des deux panneaux suivants (même surface \(S = 1\) m²) :
Panneau A : bois (\(\lambda = 0{,}15\) W/(m·K)), \(e = 20\) mm
Panneau B : verre (\(\lambda = 1{,}0\) W/(m·K)), \(e = 20\) mm
Lequel isole le mieux ?
Panneau A : \(R_A = \dfrac{0{,}02}{0{,}15 \times 1} = 0{,}133\) K/W
Panneau B : \(R_B = \dfrac{0{,}02}{1{,}0 \times 1} = 0{,}020\) K/W
Le panneau A (bois) isole mieux : \(R_A > R_B\).
Exercice 12
Un menuisier agenceur dispose d'un panneau isolant de résistance thermique surfacique \(R = e/\lambda = 2{,}5\) m²·K/W. Quel flux thermique traversera ce panneau (\(S = 4\) m²) si \(\Delta T = 15\) K ?
C5 — Aller plus loin : Interpréter la résistance thermique
Rappel de cours
La résistance thermique permet de comparer l'efficacité isolante de différents matériaux et parois :
Grande \(R_{th}\) → bon isolant → moins de pertes de chaleur.
Petite \(R_{th}\) → mauvais isolant → beaucoup de pertes.
Pour des couches en série (paroi multicouche) : \(R_{total} = R_1 + R_2 + \ldots\)
Exercice 13
Un artisan compare deux portes pour un chalet :
Porte A : \(R_{th} = 0{,}45\) K/W
Porte B : \(R_{th} = 0{,}12\) K/W
Quelle porte isole le mieux ?
Avec \(\Delta T = 20\) K, calculer le flux perdu par chaque porte.
La porte A (\(R_{th}\) plus grand → meilleure isolation).
Porte A : \(\varphi_A = \dfrac{20}{0{,}45} \approx 44{,}4\) W ; Porte B : \(\varphi_B = \dfrac{20}{0{,}12} \approx 167\) W.
La porte B perd près de 4 fois plus de chaleur.
Exercice 14
Approfondissement — relation fournie : pour des couches planes en série dans ce modèle, les résistances thermiques surfaciques s'additionnent. Une paroi est constituée de bois (\(R_1 = 0{,}15\) m²·K/W) et de laine de verre (\(R_2 = 2{,}0\) m²·K/W).
Calculer la résistance thermique totale surfacique.
Laquelle des deux couches contribue le plus à l'isolation ?