1. Le sens spontané des transferts thermiques
Quand on pose une feuille imprimée sur la platine chaude d'une presse à chaud, la feuille chauffe. Quand on ouvre l'atelier en hiver, l'air chaud s'échappe. Un transfert thermique se fait toujours spontanément du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jamais l'inverse.
Transfert thermique : passage d'énergie thermique d'un corps chaud vers un corps froid. Il s'arrête lorsque les deux corps sont à la même température (équilibre thermique).
Vigilance : le « froid » ne se déplace pas ! Une main posée sur une platine métallique froide ressent le froid parce que la chaleur de la main part vers le métal. Le transfert va toujours du chaud vers le froid.
2. Les trois modes de transfert thermique
2.1 La conduction
Conduction : transfert thermique de proche en proche, dans la matière, sans déplacement de matière. Les particules agitées du côté chaud communiquent leur agitation aux particules voisines. C'est le seul mode possible dans les solides.
Exemple en atelier : la platine chauffante d'une presse à chaud transmet sa chaleur au textile et au flex par conduction : le contact direct est indispensable. De même, la poignée métallique d'un four de polymérisation chauffe par conduction : d'où la poignée en matériau isolant.
2.2 La convection
Convection : transfert thermique avec déplacement de matière, dans les fluides (liquides et gaz). Le fluide chaud, plus léger, monte ; le fluide froid descend : il se crée des courants de convection.
Exemple en atelier : dans un tunnel de séchage à air pulsé, de l'air chaud est soufflé sur les feuilles imprimées : l'énergie thermique est transportée par le déplacement de l'air. De même, l'air chaud d'un radiateur monte le long du mur et chauffe la pièce par convection.
2.3 Le rayonnement
Rayonnement : transfert thermique sans contact et sans matière, par ondes électromagnétiques (surtout infrarouges). Il peut se faire dans le vide : c'est ainsi que le Soleil chauffe la Terre.
Exemple en atelier : un sécheur infrarouge placé au-dessus de la ligne de couchage sèche le vernis sans toucher la feuille : l'énergie arrive par rayonnement. On ressent aussi le rayonnement d'une platine chaude en approchant la main sans la toucher.
Bilan à connaître :
| Mode | Support | Exemple professionnel |
|---|---|---|
| Conduction | Contact, dans un solide | Presse à chaud, semelle d'un fer de report |
| Convection | Déplacement d'un fluide (air, eau) | Tunnel de séchage à air chaud, chauffage de l'atelier |
| Rayonnement | Ondes (même dans le vide) | Sécheur infrarouge, soleil sur une baie vitrée |
3. Conducteurs et isolants thermiques
Un bon conducteur thermique laisse passer facilement les transferts thermiques par conduction : métaux (cuivre, aluminium, acier). Un isolant thermique s'y oppose : liège, laine de verre, polystyrène expansé, bois, air immobile, plastique.
Exemple : la structure d'un four de polymérisation est en acier (conducteur) à l'intérieur mais entourée de laine de roche (isolante) pour garder la chaleur et protéger l'opérateur. La poignée est en bakélite ou en bois, mauvais conducteurs.
Comparer la conduction thermique de plusieurs matériaux (protocole pas à pas) :
- 1. Préparer des barreaux de mêmes dimensions en métaux différents (cuivre, aluminium, acier) et en bois.
- 2. Fixer à la cire, au bout libre de chaque barreau, un petit repère (trombone, allumette).
- 3. Chauffer l'autre extrémité de tous les barreaux avec la même source (bain d'eau chaude ou plaque).
- 4. Noter l'ordre et les durées de décollage des repères : plus le repère tombe tôt, meilleur est le conducteur.
- 5. Répéter la mesure plusieurs fois et comparer la dispersion des durées (Mesures et incertitudes).
- 6. Conclure : classer les matériaux du meilleur conducteur (cuivre) à l'isolant (bois).
Sécurité : risque de brûlure avec les platines chaudes, les fours et les sécheurs : porter des gants isolants adaptés (EPI), ne jamais toucher une surface dont on ignore la température, signaler les zones chaudes, laisser refroidir avant maintenance. Les lampes infrarouges peuvent aussi brûler la peau et les yeux : ne pas les regarder fixement.