Distinguer les trois modes de transfert thermique | 1ère Bac Pro ERA-MA | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
Capacités du chapitre (codes du cours) :
C1 — Identifier et décrire les trois modes de transfert thermique
C2 — Mettre en évidence expérimentalement les trois modes de transfert
C3 — Comparer qualitativement la conduction dans différents matériaux
C4 — Prévoir le sens du transfert thermique spontané
Dans ce chapitre, tout reste qualitatif. Les calculs avec la conductivité \(\lambda\), la conductance \(G\) et la puissance thermique relèvent du chapitre 5, où se trouvent aussi les exercices sur la résistance thermique.
C1 — Identifier et décrire les trois modes de transfert thermique
Rappel de cours
Conduction : l'énergie se transmet de proche en proche dans un matériau, sans déplacement global de ce matériau. Elle existe dans les solides, mais aussi dans les liquides et les gaz. Exemple : une cuillère plongée dans une boisson chaude s'échauffe jusqu'au manche.
Convection : transfert associé au déplacement d'un fluide (liquide ou gaz). Elle est naturelle si le mouvement vient des différences de masse volumique, forcée si une pompe ou un ventilateur l'impose. Ce n'est pas « la chaleur qui monte » : c'est le fluide qui se déplace.
Rayonnement : échange par rayonnement électromagnétique, sans contact ; il peut traverser le vide. À température ordinaire, il est surtout infrarouge ; le Soleil émet aussi du visible.
Plusieurs modes agissent souvent en même temps.
Exercice 1
Indiquer le mode de transfert thermique principal dans chaque situation.
Une planche de chêne sépare une pièce chauffée d'une pièce froide : de l'énergie la traverse.
Un radiateur à eau chaude réchauffe l'air d'un atelier, qui circule dans la pièce.
Le Soleil réchauffe une fenêtre vitrée.
La main réchauffe une poignée de porte en métal qu'elle serre.
Conduction : l'énergie traverse le bois de proche en proche ; le bois ne se déplace pas.
Convection : l'air réchauffé au contact du radiateur se déplace dans la pièce, remplacé par de l'air plus frais.
Rayonnement : le rayonnement solaire arrive sans contact, à travers le vide de l'espace.
Conduction : contact entre la main et le métal, puis transfert de proche en proche dans la poignée.
Exercice 2
Un technicien d'agencement pose une fenêtre. En hiver, l'intérieur est chauffé et l'extérieur est froid. Citer un exemple de chaque mode de transfert thermique qui concerne cette fenêtre.
Conduction : l'énergie traverse le verre et le cadre (bois ou PVC) de proche en proche.
Convection : l'air intérieur se refroidit au contact du vitrage et descend ; un courant d'air froid se forme le long de la vitre.
Rayonnement : le vitrage et la pièce échangent du rayonnement infrarouge ; en hiver, l'échange net va de la pièce, plus chaude, vers le vitrage, plus froid.
Exercice 3
Associer chaque caractéristique au mode de transfert qu'elle décrit.
A — Peut se produire dans le vide, sans aucune matière.
B — Se transmet de proche en proche dans un matériau, sans déplacement global de ce matériau.
C — Exige le déplacement d'un fluide (liquide ou gaz).
A → Rayonnement
B → Conduction
C → Convection
Exercice 4
Dans un four à chaleur tournante, un ventilateur brasse l'air chaud autour d'un plat. La résistance chauffante, très chaude, rougeoie au fond du four. La poignée métallique du plat s'échauffe.
Nommer le mode de transfert associé à l'air brassé. Est-il naturel ou forcé ? Justifier.
Nommer le mode par lequel la résistance chauffe le plat sans le toucher.
Nommer le mode de transfert dans la poignée du plat.
Convection forcée : l'air, un fluide, se déplace, et c'est le ventilateur qui impose ce mouvement.
Rayonnement : il n'a besoin ni de contact ni de matière entre la résistance et le plat.
Conduction : l'énergie avance de proche en proche dans le métal, qui ne se déplace pas.
Les trois modes agissent en même temps dans le four.
Exercice 5
Un élève écrit : « Dans un mur, la chaleur monte. Et dans le vide, aucune énergie ne peut passer. » Relever les deux erreurs et corriger chaque phrase.
Dans un mur, l'énergie se transmet par conduction, de la face chaude vers la face froide, quelle que soit la direction. Ce qui « monte », c'est un fluide réchauffé, par convection ; un solide ne réalise pas de convection.
Le rayonnement traverse le vide : c'est ainsi que l'énergie du Soleil arrive sur Terre. Ce sont la conduction et la convection qui ont besoin de matière.
C2 — Mettre en évidence expérimentalement les trois modes de transfert
Rappel de cours
Une expérience répond à une question précise. Avant de manipuler : formuler l'hypothèse, repérer la grandeur observée et prévoir une comparaison. Pendant l'essai : noter les conditions et les observations, sans inventer de valeurs. Après l'essai : distinguer ce qui est établi de ce qui reste incertain.
Une barre immobile se réchauffe loin de la source : conduction.
Un traceur coloré se déplace avec l'eau : circulation qui permet la convection.
Une sonde répond à une source sans contact, et moins quand un écran réfléchissant est interposé : rayonnement.
Un montage scolaire n'isole jamais un seul mode : il faut nommer les transferts parasites au lieu de les nier. Pour comparer deux essais, on ne change qu'un seul paramètre.
Exercice 6
Voici trois expériences réalisées en classe.
A : eau chauffée par le bas, avec un cristal coloré. B : tige de cuivre chauffée à un bout, gouttes de cire le long de la tige. C : lampe et thermomètre au bulbe noirci, plaque d'aluminium poli glissée entre eux ou retirée.
Pour chaque montage, nommer le mode de transfert mis en évidence et dire quelle observation le montre.
Montage A : la traînée colorée monte au-dessus de la flamme et redescend de l'autre côté.
Montage B : les gouttes de cire tombent l'une après l'autre, en commençant par la plus proche de la flamme.
Montage C : le thermomètre monte moins vite quand la plaque d'aluminium poli est glissée entre la lampe et lui.
Convection : le colorant montre que l'eau elle-même se déplace ; l'eau chauffée s'élève, de l'eau plus froide la remplace.
Conduction : la tige ne bouge pas, mais l'énergie avance de proche en proche depuis le bout chauffé ; la cire fond d'abord près de la flamme, puis de plus en plus loin.
Rayonnement : le thermomètre reçoit de l'énergie sans contact ; la plaque réfléchissante en renvoie une partie. Limite : la plaque peut aussi modifier les mouvements d'air autour du thermomètre.
Exercice 7
Un groupe veut montrer qu'une tige métallique immobile transmet de l'énergie par conduction. Matériel : un bain d'eau tiède, une tige de cuivre, deux sondes de température, un chronomètre. Le bas de la tige trempe dans le bain.
Formuler l'hypothèse que le groupe teste.
Indiquer la grandeur à relever et où placer les deux sondes.
Proposer un essai de comparaison.
Nommer un autre transfert qui peut aussi réchauffer la partie émergée de la tige.
L'énergie du bain se transmet le long de la tige immobile, de proche en proche : la partie émergée se réchauffe.
La température, relevée à intervalles réguliers : une sonde sur la tige près du bain, une autre plus loin, sur la partie émergée.
Refaire l'essai avec une tige de même forme en bois, ou relever une sonde identique placée dans l'air à la même hauteur, sans tige. Garder le même bain, la même durée et les mêmes positions de sondes.
L'air réchauffé au-dessus du bain s'élève (convection) et le bain rayonne : ils peuvent aussi réchauffer la tige. On les nomme, on ne les nie pas.
Exercice 8
Un groupe place une sonde à 10 cm au-dessus d'une bougie allumée, puis une sonde identique à 10 cm à côté de la flamme. La sonde du dessus chauffe beaucoup plus. Le groupe conclut : « Le rayonnement ne part que vers le haut. »
Quel mode de transfert explique que la sonde du dessus chauffe davantage ?
La conclusion du groupe est-elle correcte ? Justifier.
Proposer un essai qui met en évidence le rayonnement reçu par la sonde placée à côté.
La convection : l'air réchauffé par la flamme s'élève et atteint la sonde du dessus.
Non. La sonde du dessus reçoit à la fois l'air chaud et le rayonnement ; celle d'à côté reçoit surtout du rayonnement. Le rayonnement part dans toutes les directions : l'essai compare deux situations où les modes ne sont pas les mêmes.
Garder la sonde latérale à la même distance et glisser un écran réfléchissant entre la flamme et elle, sans créer de courant d'air. Si elle chauffe nettement moins, avec le même état initial et la même durée, l'essai soutient qu'elle recevait du rayonnement.
Exercice 9
Dans un atelier, on veut savoir si un panneau réfléchissant diminue l'énergie reçue d'un radiateur infrarouge. Premier essai, sans panneau : une sonde placée à 1,5 m monte de 18 °C à 24 °C en 10 min. Second essai, avec le panneau : la sonde est placée à 2 m et monte de 21 °C à 23 °C en 10 min.
Relever les deux conditions qui ont changé en plus du panneau.
Peut-on conclure sur le rôle du seul panneau ? Justifier.
Proposer une nouvelle série d'essais correcte.
La distance (1,5 m puis 2 m) et la température de départ de la sonde (18 °C puis 21 °C).
Non : une sonde plus éloignée et déjà plus chaude monterait moins, même sans panneau. On ne peut pas attribuer la différence au panneau seul.
Même distance, même durée, même réglage du radiateur, même température de départ de la sonde (attendre qu'elle revienne à l'état initial) ; un essai sans panneau, un essai avec, puis recommencer pour vérifier que la différence se reproduit.
C3 — Comparer qualitativement la conduction dans différents matériaux
Rappel de cours
Un conducteur thermique transmet plus facilement l'énergie par conduction qu'un isolant, à géométrie et écart de température comparables.
Bons conducteurs : les métaux usuels (cuivre, aluminium, acier).
Isolants : les matériaux qui contiennent de l'air immobilisé (laine de verre, laine de roche, polystyrène expansé) ; le bois conduit aussi beaucoup moins que les métaux.
Pour comparer deux matériaux, on garde les mêmes dimensions, le même état initial, le même contact avec la source, les mêmes positions de capteurs et la même durée. Au toucher, deux surfaces à la même température peuvent sembler différentes : la sensation n'est pas une mesure de température.
Exercice 10
Sur un chantier, on trouve les matériaux suivants : cuivre, laine de verre, acier, polystyrène expansé, aluminium, bois de pin, laine de roche. Les ranger en deux groupes : bons conducteurs thermiques et isolants thermiques.
Isolants : laine de verre, polystyrène expansé, laine de roche (air immobilisé), bois de pin.
Exercice 11
Un menuisier agenceur pose des poignées de meuble, les unes en aluminium, les autres en hêtre. Elles sont toutes dans la même pièce depuis une journée.
Les poignées en aluminium sont-elles plus froides que celles en hêtre ? Comment le vérifier ?
Pourquoi l'aluminium semble-t-il pourtant plus froid au toucher ?
Non : elles sont toutes à la température de la pièce. On le vérifie avec un thermomètre adapté, pas avec la main.
L'aluminium est un bon conducteur : il emporte l'énergie de la main plus facilement que le hêtre, qui conduit mal. La main se refroidit plus vite, d'où la sensation de froid. La sensation n'est pas une mesure de température.
Exercice 12
Pour comparer le cuivre et l'acier, un groupe colle des gouttes de cire le long de deux tiges. La tige de cuivre a un diamètre de 8 mm, la tige d'acier de 4 mm. Le cuivre est chauffé par une grosse flamme, l'acier par une petite. Après 3 min, la cire a fondu plus loin sur le cuivre. Le groupe conclut : « Le cuivre conduit mieux que l'acier. »
Peut-on attribuer la différence observée au seul matériau ? Justifier.
Proposer deux corrections du protocole.
Non : le diamètre et la source de chaleur changent aussi. Une tige plus épaisse et une flamme plus forte peuvent suffire à faire fondre la cire plus loin.
Utiliser deux tiges de mêmes dimensions ; les chauffer avec la même source, à la même distance, pendant la même durée ; partir de la même température initiale et placer la cire aux mêmes distances.
Exercice 13
Pour chaque objet, indiquer s'il vaut mieux un matériau bon conducteur ou un matériau isolant, puis justifier.
Le fond d'une poêle.
Le manche de cette poêle.
Un gant de cuisine.
Un dessous-de-plat.
Bon conducteur (métal) : l'énergie de la plaque doit passer facilement vers les aliments.
Isolant (bois, plastique résistant à la chaleur) : il freine le transfert vers la main.
Isolant (tissu épais qui emprisonne de l'air) : il protège la main.
Isolant (liège, bois) : il limite le transfert du plat chaud vers la table.
Exercice 14
Trois plaques carrées de mêmes dimensions (10 cm de côté, 5 mm d'épaisseur) sont posées en même temps sur la même plaque chauffante, réglée à 60 °C. Au départ, elles sont toutes à 20 °C. Sur chacune, une pastille qui change de couleur à 40 °C est collée au centre de la face supérieure.
Plaque
Aluminium
Verre
Liège
Changement de couleur de la pastille
après 20 s
après 3 min
aucun après 10 min
Classer les trois matériaux, du plus conducteur au moins conducteur.
Quelles conditions rendent la comparaison acceptable ?
Ce temps mesure-t-il directement la conductivité du matériau ? Justifier.
Aluminium, puis verre, puis liège.
Mêmes dimensions, même source, même température initiale, même capteur au même endroit, départ en même temps.
Non : pendant la montée en température, le matériau stocke aussi de l'énergie, et le contact avec la plaque chauffante compte. Le temps donne une comparaison qualitative du dispositif, pas une mesure de conductivité. La mesure de la conductivité relève du chapitre 5.
C4 — Prévoir le sens du transfert thermique spontané
Rappel de cours
Un transfert thermique est un échange d'énergie dû à une différence de température. Ce n'est ni une substance ni un déplacement de « froid ».
Le transfert net spontané se fait du corps à température plus élevée vers le corps à température plus faible. Il n'y a plus de transfert net quand les deux corps ont la même température : c'est l'équilibre thermique.
Un appareil alimenté en énergie, comme un réfrigérateur ou une pompe à chaleur, peut maintenir ou créer un écart de température : il ne contredit pas cette règle, qui porte sur le transfert spontané.
Exercice 15
Pour chaque couple, indiquer le sens du transfert thermique spontané.
Situation
Corps 1
Corps 2
a. Café et air de la cuisine
café à 70 °C
air à 20 °C
b. Glaçon et eau du verre
glaçon à −5 °C
eau à 15 °C
c. Mur extérieur et pièce, en hiver
mur à 2 °C
air de la pièce à 20 °C
d. Toiture et combles, en été
toiture à 45 °C
air des combles à 30 °C
Du café vers l'air (70 °C > 20 °C).
De l'eau vers le glaçon (15 °C > −5 °C).
De l'air de la pièce vers le mur (20 °C > 2 °C).
De la toiture vers l'air des combles (45 °C > 30 °C).
Dans chaque cas, l'énergie va du corps le plus chaud vers le plus froid.
Exercice 16
Un ébéniste pose une plaque d'acier à 50 °C sur un plan de travail en bois à 20 °C.
Dans quel sens se fait le transfert thermique spontané ?
Par quel mode l'énergie passe-t-elle de la plaque au plan de travail ?
Jusqu'à quand le transfert net entre les deux objets dure-t-il, s'ils restent seuls en contact ?
De la plaque d'acier (50 °C) vers le bois (20 °C).
Par conduction, à travers la surface de contact.
Jusqu'à ce que les deux objets aient la même température : l'équilibre thermique. Il n'y a alors plus de transfert net entre eux.
Exercice 17
Réécrire chaque phrase en parlant d'un transfert d'énergie du corps chaud vers le corps froid.
« En hiver, le froid entre par la fenêtre. »
« Le glaçon donne son froid à la boisson. »
« Une couverture produit de la chaleur. »
En hiver, de l'énergie passe de la pièce chauffée vers l'extérieur, plus froid, à travers la fenêtre.
De l'énergie passe de la boisson, plus chaude, vers le glaçon : la boisson refroidit, le glaçon se réchauffe puis fond.
La couverture ne produit pas d'énergie : elle est isolante et freine le transfert du corps, plus chaud, vers l'air de la chambre.
Exercice 18
L'intérieur d'un réfrigérateur est à 4 °C dans une cuisine à 21 °C.
Dans quel sens l'énergie traverse-t-elle spontanément les parois du réfrigérateur ?
Pourquoi l'intérieur reste-t-il froid tant que l'appareil fonctionne ? Cela contredit-il la règle du transfert spontané ?
On débranche le réfrigérateur, porte fermée. Que devient la température intérieure au bout de plusieurs heures ?
De la cuisine (21 °C) vers l'intérieur (4 °C).
L'appareil est alimenté en énergie électrique : il extrait l'énergie qui entre et la rejette dans la cuisine. Ce transfert n'est pas spontané, il ne contredit donc pas la règle.
L'énergie continue d'entrer ; la température intérieure monte jusqu'à celle de la cuisine, 21 °C : c'est l'équilibre thermique.
Exercice 19
Une maison est chauffée à 20 °C en hiver, quand il fait 5 °C dehors. En été, elle est climatisée à 25 °C, quand il fait 35 °C dehors.
Indiquer le sens du transfert spontané à travers les murs en hiver, puis en été.
Un client pense que l'isolation ne sert qu'en hiver. Lui répondre.
En hiver, de l'intérieur (20 °C) vers l'extérieur (5 °C). En été, de l'extérieur (35 °C) vers l'intérieur (25 °C).
L'isolation freine le transfert dans les deux sens : elle réduit les besoins de chauffage en hiver et de climatisation en été.