Chaleur et conduction thermique

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Chaleur et conduction thermique

Bonjour,
Question d'un élève de 5ème : pourquoi les métaux sont-ils conducteurs de chaleur et pourquoi le bois ne l'est pas ?
Il n'a pas encore abordé la notion d'atome et de molécule en physique. Comment amener la notion d'agitation moléculaire ?
D'ailleurs, je ne sais pas pourquoi les isolants ne transmettent pas autant que les métaux cette agitation moléculaire ? Même question pour l'air !
Donc j'ai un problème de compréhension du phénomène avant tout. Et ensuite, comment expliquer ce qui se passe de manière très simple ??
Merci pour votre aide !
Marie-Pierre Rocaché
Professeur de technologie au collège

La réponse n'est pas simple
Tout d'abord le bois conduit la chaleur, moins qu'un métal certes
Mais faut il pouvoir introduire et faire comprendre que la température d'un matériau est mesurée par l’agitation des atomes, voire " molécules" d'un matériau puis dire que selon les matériaux les molécules peuvent plus ou moins facilement s'agiter et donc cette agitation peut plus ou moins facilement se transmettre ou se propager.
Je reconnais que cette explication n'est pas forcément accessible à un élève de collège. Désolée
Edith S

Bonjour,

La page wikipedia consacrée à la conductivité thermique vous donnera quelques idées des différentes sources de la conductivité thermique au niveau microscopique. Dans tous les cas, c'est bien comme vous le dites l'agitation moléculaire qui assure le transport de la chaleur par conduction : les molécules / ions / électrons les plus chauds se «cognent» dans les plus froids : de la quantité de mouvement (donc de la vitesse), c'est-à-dire de la chaleur, est ainsi transférée de la particule la plus chaude à la particule la plus froide.

Le mécanisme le plus efficace pour ce transfert de quantité de mouvement est de le faire avec des électrons libres qui, sans se déplacer de manière macroscopique (ce qui créerait un courant électrique), sont très mobiles et assurent donc une très bonne conduction : ils se «cognent» plus facilement, et peuvent rapidement aller se cogner plus loin dans le matériau. C'est le principal phénomène dans les métaux et c'est ce qui explique qu'ils soient aussi bons conducteurs thermiques.

Le mécanisme le moins performant est lorsque les atomes ou les ions constituant le matériau vibrent autour de leur position d'équilibre (c'est toujours de l'agitation moléculaire) : ils ne transmettent que peu de quantité de mouvement, et seulement à leurs voisins. La quantité de mouvement donc la chaleur diffusent alors lentement. Moins les atomes / ions / molécules du solide sont liés, moins le phénomène est efficace. C'est le cas du bois, constitué du molécules liées par des liaisons intermoléculaires, moins solides que les liaisons atomiques, ioniques ou métalliques.

Un troisième mécanisme, intermédiaire, existe dans les solides cristallins. Des vibrations à longue portée permettent de mettre à vibrer ensemble des atomes ou ions du réseau qui se trouvent loin les uns des autres : la vibration donc la chaleur se propage ainsi rapidement. C'est le phénomène des phonons. C'est comme si vous aviez des élèves qui se tiennent la main : si le premier tire violemment sur la chaîne de camarades, tous vont rapidement tomber. Alors que si les élèves se lâchent les mains et que le premier pousse son voisin, ils mettront plus de temps à tomber, comme les morceaux de sucre.

Il n'est sans doute pas pertinent d'entrer dans tous ces détails avec un élève de 5ème. Mais la notion de molécule peut être anticipée en cinquième si le besoin s'en fait sentir. C'est sans doute une bonne occasion. Vous pourriez parler des molécules à votre élève, lui dire qu'elles s'agitent sans cesse (comme les budlers dans Harry Potter) mais qu'on ne le voit pas car elles sont trop petites. Pourtant on le ressent, car plus elles s'agitent vite, plus il fait chaud. Dans un solide, les molécules se choquent les unes aux autres si bien que les plus rapides ralentissent et les plus froides accélèrent: la chaleur se réparti dans le solide. Parfois les molécules arrivent à bien s'entrechoquer, alors la chaleur diffuse vite : c'est le cas des métaux et il pourra discuter en troisième plus de détails. Ce n'est pas le cas du bois, il verra ça aussi dans les années qui viennent (plutôt seconde pour les liaisons intermoléculaires). Pour le cas de l'air, les molécules sont séparées par du vide, donc il y a peu de chance qu'elles se cognent donc la chaleur diffuse mal.

C'est un peu exagéré car les métaux ne sont pas constitués de molécules. Peut-être pouvez-vous aussi parler des atomes, mais ça risque de compliquer inutilement l'explication qui se comprend déjà bien avec des molécules.

Cordialement

bonjour,

tout a été dit par mes collègues. Je veux juste apporter un commentaire à la phrase de Mme Massot "Pour le cas de l'air, les molécules sont séparées par du vide, donc il y a peu de chance qu'elles se cognent donc la chaleur diffuse mal."

C'est une image trop réductrice car 1) même dans un métal, entre les atomes il y a du vide et le noyau est tellement plus petit que l'atome, qu'il est principalement constitué de vide, donc la notion de vide n'est pas pertinente et 2) on ne peux pas dire qu'il y a "peu de chances qu'elles se cognent". La pression de l'atmosphère terrestre est assez élevée pour que les collisions soient permanentes et très nombreuses en fait. Le problème est simplement un problème de densité au premier ordre.
L'air n'est pas un matériau dense et donc il ne peut transmettre que peu de chaleur à la fois. Un litre d'air pèse 1.3 g, un litre d'eau 1000 g. Donc la masse disponible (en supposant la même capacité calorifique par unité de masse, ce qui n'est pas non plus le cas) est presque 800 fois plus faible. Donc en première approximation, une capacité 800 fois plus faible à emmagasiner (et donc à transmettre) de la chaleur.

Cordialement

Bonjour,

le transfert de chaleur par conduction se fait selon deux modes :
- de proche en proche du fait des vibrations des atomes (ou des molécules),
- par déplacement des électrons.

Ainsi, dans un gaz ou un liquide au repos, ce sont les chocs entre les atomes (ou les molécules) qui permettent de propager la chaleur. Dans un solide, la transmission par les électrons est la plus efficace. Elle a lieu dans les matériaux plutôt bons conducteurs électriques. Dans les autres matériaux, plus ou moins isolants électriques, la transmission se fait plutôt par les chocs entre atomes. C'est moins efficace.
La chaleur se propage de la température la plus haute vers la plus basse. Une haute température se traduit par une forte agitation des atomes. Par analogie, si on a plusieurs personnes les unes à côté des autres, les plus agitées bousculeront les autres de proche en proche, et ceci d'autant plus facilement qu'elles sont très voisines (Les solides sont plus conducteurs que les liquides eux-mêmes plus conducteurs que les gaz). Si maintenant, elles ont des "colis" (les électrons), elles pourront encore plus facilement transmettre la chaleur à leurs voisins.

Régis Olivès

Bonjour

Tous les matériaux sont conducteurs, seulement certains sont plus efficaces que d'autres pour transmettre la chaleur. C'est au niveau de la structure microscopique du matériau que tout se joue et notamment sur la mobilité des électrons. Typiquement, il est plus facile de faire bouger les électrons des atomes d'un métal que d'un morceau de bois.

L'explication scientifique complète est difficile à donner à cet âge là, c'est dans l'étagement des électrons autour du noyau de l'atome que tout se joue : dans certains cas, les électrons périphériques vont avoir tendance à partir (ou à faire venir d'autres électrons) facilement, ce sont les conducteurs, dans d'autres cas ces électrons vont "préférer" rester liés à leur noyau, ce sont les isolants.

Bon courage !

HG

Bonjour,

Pourquoi ne pas exploiter l'animation suivante : http://spcvauge.free.fr/conduction.swf
Avec les élèves, bien remarquer que les petits constituants du matériau sont bien rangés, proches les uns des autres et qu'il existe une différence de température entre les deux extrémités du matériau à tout début de la simulation. Ensuite noter les chocs, l'agitation, la propagation de proche en proche de la chaleur. Puis dire que le matériau simulé est un métal. Et imaginer que l'on remplace le métal par du bois. Que se passe t-il ?
Les élèves pourront alors penser que la structure interne du morceau de bois doit être bien différente de celle d'un métal puisque le bois est un isolant. Qu'il en est de même pour l'agitation des petits constituants du bois.

Bien cordialement,

Marie-Thérèse Lehoucq

Bonjour,

En effet (sans parler d'atomes) la chaleur va se propager de proche en proche donc plus la matières est dense (compacte) et plus elle va conduire la chaleur rapidement.
... et avec des atomes... dans les métaux les atomes sont collés entre eux donc conduisent bien la chaleur, l’électricité, dans le bois il y a de l'air, donc du vide, cela conduit moins bien et l'air comme cela a été dis, il y a beaucoup de vide et donc c'est plus difficile au molécules de s'entrechoquer et donc de conduire la chaleur.
Les isolants comme les plastique sont des polymères dont les fibres sont espacées les une des autres par du vide.. donc cela isole.
Le swf du dessus illustre bien cette effet de transmission de chaleur de proche en proche. On peut aussi l'illustré avec une ficelle que l'on fait bougé. On vois l'onde se rependre (conduction) alors que si on utilise plein de bout de ficelle et qu'il y en a qu'une qui bouge cela isole !

Cordialement

Jérôme Grugier