Les modes de propagation de la chaleur (conduction, convection, rayonnement)

1. Le sens des échanges de chaleur

La chaleur est une forme d'énergie. Elle passe toujours spontanément du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jamais l'inverse. L'échange s'arrête quand les deux corps ont la même température (équilibre thermique).

Quand on dit « le froid entre », c'est en réalité la chaleur qui sort. On distingue trois modes de propagation de la chaleur : la conduction, la convection et le rayonnement.

2. La conduction

Expérience. On fixe avec de la cire de bougie des petites punaises le long d'une tige de fer, à intervalles réguliers, puis on chauffe une extrémité de la tige. Les punaises tombent l'une après l'autre, en commençant par la plus proche de la flamme.

Interprétation. La chaleur avance dans la tige de proche en proche, sans que le métal ne se déplace. C'est la conduction thermique. Elle se produit surtout dans les solides.

Tous les matériaux ne conduisent pas la chaleur de la même façon :

• les bons conducteurs thermiques laissent passer la chaleur facilement : les métaux (cuivre, aluminium, fer…) ;
• les isolants thermiques (mauvais conducteurs) la laissent passer très difficilement : le bois, le plastique, le liège, la laine, le coton, le verre (conducteur médiocre), et surtout l'air immobile.

C'est pour cela que les marmites sont en métal (la chaleur passe vite du feu vers la nourriture) et que leurs poignées sont souvent en bois ou en plastique. Les matériaux qui emprisonnent de l'air (laine, paille, polystyrène) sont de très bons isolants, car l'air immobile conduit très mal la chaleur.

Pourquoi le métal paraît-il plus froid que le bois ? Ta main est plus chaude que la pièce. Le métal, bon conducteur, emporte vite la chaleur de ta main : tu as une sensation de froid. Le bois l'emporte lentement : il te paraît moins froid, alors que les deux sont à la même température.

3. La convection

Expérience. On chauffe par le bas un récipient transparent rempli d'eau, dans lequel on a jeté quelques grains de sciure. On voit la sciure monter au-dessus de la flamme, s'étaler en haut, puis redescendre le long des bords froids : l'eau tourne en boucle. Ces mouvements s'appellent des courants de convection.

Interprétation. L'eau chauffée en bas se dilate : elle devient plus légère pour le même volume et monte. L'eau plus froide du haut, plus lourde, descend prendre sa place, se réchauffe à son tour, et ainsi de suite. La matière chaude se déplace et transporte la chaleur. C'est la convection. Elle se produit dans les liquides et dans les gaz (on les appelle des fluides), jamais dans un solide.

Exemples de convection :

• la sauce de Kadiatou qui « tourne » dans la marmite ;
• l'air chaud qui monte au-dessus du feu et fait danser la fumée ;
• dans une pièce, l'air chaud monte vers le plafond : on place les ouvertures d'aération en hauteur pour laisser sortir l'air chaud ;
• près de la mer, à Conakry ou à Boké, la brise de mer du jour : la terre chauffe plus vite que la mer, l'air au-dessus de la terre monte et l'air plus frais venu de la mer le remplace.

4. Le rayonnement

La chaleur du Soleil arrive jusqu'à la Terre en traversant l'espace vide : il n'y a ni solide pour la conduire, ni fluide pour la transporter. Elle voyage sous forme de rayonnement, comme la lumière. C'est aussi par rayonnement que Kadiatou sent la chaleur du feu sur ses mains placées à côté du foyer.

Le rayonnement ne demande aucun support matériel. Il est :

• absorbé surtout par les surfaces sombres (un pagne noir au soleil chauffe beaucoup) ;
• réfléchi surtout par les surfaces claires et brillantes (un toit blanc ou en tôle brillante renvoie une partie du rayonnement solaire).

C'est pourquoi on conseille de porter des vêtements clairs en saison sèche et on sèche le poisson ou le piment au soleil sur des nattes sombres.

5. Comment reconnaître le mode de propagation

6. Retour à la cuisine de Kadiatou

• Le manche de la cuillère en fer chauffe par conduction ; la louche en bois est un isolant.
• Les légumes qui tournent montrent la convection dans la sauce.
• La chaleur reçue par les mains à côté du feu arrive par rayonnement.