Le transfert de chaleur se produit par trois mécanismes principaux: la conduction, où les molécules vibrant rigoureusement transfèrent leur énergie à d'autres molécules avec une énergie plus faible; la convection, dans laquelle le mouvement massif d'un fluide provoque des courants et des tourbillons qui favorisent le mélange et la distribution de l'énergie thermique; et le rayonnement, où un corps chaud émet de l'énergie qui peut agir sur un autre système via des ondes électromagnétiques. La convection et la conduction sont les deux méthodes les plus importantes de transfert de chaleur dans les liquides et les gaz.
Conduite générale
La conduction se produit généralement dans les solides. Les cuisinières électriques utilisent un transfert de chaleur par conduction pour amener une casserole d'eau à ébullition: l'énergie thermique est transférée du brûleur chaud à la casserole froide, ce qui fait augmenter la température de l'eau. La conduction se produit à cause de la vibration des molécules. Dans une substance solide, les atomes, disposés très étroitement dans des structures en forme de réseau, ont très peu de liberté pour se déplacer dans l'espace. Au fur et à mesure que le brûleur chauffe, les atomes du métal commencent à vibrer de plus en plus vite à mesure que leur énergie augmente. Lorsque vous placez la casserole d'eau froide sur le brûleur, vous créez un gradient de température - un endroit où la chaleur s'écoule. Puisque l'énergie circule des choses chaudes vers les choses plus froides, les atomes vibrants du brûleur transfèrent une partie de leur chaleur aux atomes qui composent le métal de votre pot d'eau. Cela fait vibrer les atomes du pot, transférant leur énergie à l'eau.
Conduction dans les gaz et les liquides
La conduction est plus courante dans les solides, mais en principe, elle peut - et se produit - dans les liquides et les gaz, mais pas très bien. Parce que les molécules des fluides ont une plus grande liberté de mouvement que dans les solides, il y a moins de chance que des molécules vibrantes entrent en collision avec une autre et transfèrent de l'énergie dans tout le fluide. En fait, l'air est un si mauvais conducteur qu'il est utilisé pour aider à isoler les maisons. Certaines fenêtres écoénergétiques ont des "espaces d'air" entre elles qui créent une poche d'air entre l'intérieur de la maison et l'air froid extérieur. Parce que l'air ne conduit pas très bien la chaleur, plus de chaleur reste à l'intérieur de la maison puisque l'air rend difficile pour cette énergie thermique de se frayer un chemin à l'extérieur.
Convection
La convection est de loin le moyen le plus efficace et le plus courant de transférer la chaleur à travers les liquides et les gaz. Cela se produit lorsque certaines régions d'un fluide deviennent plus chaudes que d'autres, provoquant des courants dans le fluide qui le déplacent pour répartir cette chaleur plus uniformément. Pensez à une maison en hiver. Vous avez peut-être remarqué que le grenier est toujours très chaud alors que le sous-sol est généralement frais. Cela se produit parce que lorsque l'air se réchauffe, il devient léger, ce qui le fait remonter vers le plafond. L'air froid est beaucoup plus lourd et tombe au sol. Lorsque l'air chaud se déplace vers le plafond et que l'air froid tombe, ces deux types d'air entrent en collision et se mélangent, provoquant la chaleur du bras chaud pour transférer à l'air plus frais et ainsi répartir la chaleur dans toute la pièce.
Radiation
Le rayonnement se produit lorsqu'un corps devient suffisamment chaud pour émettre de l'énergie électromagnétique. Le soleil est un exemple classique de transfert de chaleur radiatif: il est très loin dans l'espace, mais il est suffisamment chaud pour que vous ressentiez sa chaleur. Vous ressentez cette chaleur à cause du rayonnement, et même par temps frais, le soleil est chaud. L'énergie électromagnétique peut voyager à travers l'espace vide et faire chauffer un objet cible de loin. Le transfert de chaleur radiatif ne se produit généralement pas dans les liquides et les gaz.