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Physique thermique

Conduction, convection, rayonnement thermique

Comparez les trois modes de transfert thermique — conduction, convection, rayonnement — et vérifiez la loi de Fourier Q˙=kAΔT/L\dot Q=kA\Delta T/L pour une barre. Faites varier ΔT et la conductivité k pour mesurer la puissance transmise.

Collège

Matériel

  • Modèle des trois mécanismes sur canevas (conduction dans une barre, boucle de convection, rayons)
  • Curseur d’écart de température ΔT (5–80 K)
  • Curseur de conductivité k (10–400 W/m·K)
  • Barre A = 0,01 m², L = 0,50 m ; affichage $P=kA\Delta T/L$

Protocole

  1. Distinguer les trois mécanismes

    Observez le canevas : la conduction transporte l’énergie dans la matière immobile le long de la barre, la convection l’emporte avec le fluide en mouvement, et le rayonnement voyage en ondes électromagnétiques sans milieu. Faites pivoter et comparez les trajets.

  2. Mesurer la puissance conduite

    Gardez k = 200 W/m·K (métal typique) et ΔT = 10 K : l’affichage donne P=kAΔT/L=200×0,01×10/0,5=40P=kA\Delta T/L=200\times0{,}01\times10/0{,}5=40 W. Doublez ΔT et vérifiez que P double — relation linéaire de Fourier.

  3. Comparer conducteurs et isolants

    Descendez k de 400 à 10 W/m·K (métal → céramique/mousse) à ΔT fixe : la puissance chute proportionnellement — les isolants ont un petit k. Montez ΔT et prédisez P avant de lire le résultat.

Simulation

Histoire de l’expérience

Joseph Fourier développa la théorie de la conduction dans sa Théorie analytique de la chaleur (1822), énonçant que le flux de chaleur est proportionnel au gradient de température — les mathématiques qu’il inventa pour la résoudre donnèrent aussi les séries de Fourier. La convection vint de l’observation des fluides chauds ascendents (Benjamin Thompson, comte de Rumford, soutint que la chaleur se transporte dans les fluides par leur propre mouvement), et le rayonnement thermique fut découvert par William Herschel en 1800 lorsqu’il mesura des « rayons calorifiques » au-delà du rouge du spectre solaire — le premier infrarouge enregistré.

Physiciens associés

William Thomson (Lord Kelvin)James Prescott JouleRudolf Clausius

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