Transfert de chaleur: métal chaud vers air froid

[SunnySky]

Bonjour,

On m'a posé une question qui m'a laissé un peu interloqué... je ne m'étais jamais posé la question. Et je n'étais pas capable de répondre.

Si on met un morceau de métal chaud (disons du fer à 300 degrés) dans une pièce à 20 degrés, il va y avoir un transfert de chaleur: le métal refroidira pendant que l'air se réchauffera. Mais par quel mécanisme ce transfert s'opère-t-il?

Normalement, les molécules de gaz ont plus d'énergie cinétique, se déplacent plus rapidement que les molécules d'un solide. Comment l'énergie se transfert-elle des molécules moins énergétiques vers les molécules plus énergétiques? Car c'est ce qui se passe: l'énergie passe du solide au gaz.

Le paradoxe vient-il de l'idée que les molécules du solide se déplacent moins vite que celles du gaz? Est-ce que c'est l'énergie de vibration qui aurait plus d'importance que l'énergie de translation? Des fois il y a des questions simples qui m'embêtent...

Merci pour votre éclairage sur cette simple question...
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[invitee2bb347d]

Bonjour,

Un solide contient une densité d'atomes beaucoup plus importante qu'un gaz, même si ils sont moins libres de leur mouvements

[XK150]

Bonjour ,

Les transferts de chaleur s'effectuent par conduction , convection et rayonnement .
Ces 3 modes sont bien expliqués ici : https://fr.wikipedia.org/wiki/Transfert_thermique

[Sethy]

Bonjour,
Normalement, les molécules de gaz ont plus d'énergie cinétique, se déplacent plus rapidement que les molécules d'un solide. Comment l'énergie se transfert-elle des molécules moins énergétiques vers les molécules plus énergétiques? Car c'est ce qui se passe: l'énergie passe du solide au gaz.

C'est le début de cette affirmation qui est imprécise. Certes, les molécules de gaz d'une substance ont plus d'énergie que les molécules de la même substance à l'état solide. Mais lorsqu'il s'agit de substances différentes, les molécules/atomes d'un solide peuvent avoir plus d'énergie que celle d'un gaz d'une autre substance.

Je dirais même qu'à l'équilibre thermique, et en tenant compte de toutes les formes d'énergie (rotation, vibration, etc.) celles-ci sont égales quel que soit les substances et leurs formes.

[A voir en vidéo sur Futura]

[SunnySky]

Je précise la question: comment se fait-il qu'une molécule de gaz ayant une certaine vitesse frappe une molécule de métal a priori immobile et rebondisse à une vitesse supérieure à sa vitesse initiale? Je sais que c'est ce qui arrive puisque l'air se réchauffe mais le mécanisme microscopique d'acquisition de vitesse ne m'est pas évident.

La densité ne me semble pas un élément de réponse. La convection ne semble pas être en cause, le rayonnement pourrait être une explication mais ça me semble incomplet. C'est la conduction qui me cause problème. Chaque molécule de gaz qui frappe le métal rebondit à une vitesse supérieure à celle qu'elle avait au départ. Comment ça se passe? Mon hypothèse, c'est que c'est l'énergie de vibration des atomes du métal qui font rebondir plus rapidement les molécules de gaz.

[Sethy]

Les atomes d'un solide (comme d'ailleurs ceux de toute matière) ne sont jamais au repos (même pas au zéro absolu, où il subsiste toujours un mouvement minimum de part la nature quantique de la matière, qu'on appelle d'ailleurs Energie résiduelle au zéro absolu).

Ici ce sont des chocs, donc la bonne grandeur pour raisonner est la quantité de mouvement totale qui doit être conservée.

De plus le solide agit un peu comme un trampoline, mais à 3 dimensions. La molécule de gaz qui frappe la surface va outre l'atome impacté qui va réagir, va faire reculer celui-ci et les atomes derrière lui vont le repousser tandis que ceux des côtés vont le retenir (comme le filet du trampoline).

Donc même si on ne considère qu'un atome de Fer et des 5 voisins directes, la masse totale qui s'oppose au mouvement de la molécule gazeuse incidente est de 335 uma (6 x 55,85), alors qu'une molécule d'air, c'est en moyenne 29 uma.

[SunnySky]

Excuse-moi Sethy mais je ne crois pas que cela réponde à mon interrogation. Un trampoline ne donne aucune énergie. Si tu laisses tomber une boule de billard sur un trampoline elle ne montera jamais plus haut que sa hauteur de départ. La masse du fer, à mon avis, importe peu car même si elle était infinie (et j'admets qu'ici on peut faire cette approximation) et si on considère la collision élastique (encore une fois c'est le cas), le fer restituerait toute l'énergie sans en ajouter. Mon problème, c'est qu'on sait qu'il en ajoute.

La molécule provenant de l'air frappe une surface chaude sans énergie cinétique et repart avec plus d'énergie cinétique qu'elle n'en avait au départ. C'est là ce que je cherche à me représenter mentalement. Et je ne vois rien d'autre que l'énergie de vibration pour expliquer cela.

[Sethy]

Lorsque la température du Fer est supérieure à celle de l'air, le résultat d'un choc est que la molécule d'air repart avec plus d'énergie qu'elle n'en n'avait en arrivant (= une vitesse plus grande, ou un mode de vibration/rotation plus énergétique).

Cette énergie vient des vibrations du cristal de Fer qui lui s'est départi d'un peu de son énergie au cours du même choc.

La perte d'énergie du réseau correspond à un refroidissement (il y a une formule pour connaitre l'énergie en fonction de la t°, c'est "en gros" : E = 5/2.kB.T où kB est la constante de Boltzman) tandis que la molécule d'air repart avec plus d'énergie cinétique ce qui correspond macroscopiquement à un réchauffement.

C'est un peu comme si tu tendais la trampoline et que tu le relâchais juste au moment où la balle de tenis le frappe, elle repartira avec plus d'énergie, énergie que le trampoline aura perdu.