conduction (thermique)

La conduction thermique consiste en un échange de chaleur entre deux milieux — pouvant être chacun solide, liquide ou gazeux — , ou entre deux zones d'un même milieu, par l'intermédiaire de la surface de contact séparant ces milieux ou ces zones. Un tel processus constitue l'un des trois modes possibles d'échange de chaleur, les deux autres étant la convection (qui est propre aux fluides) et le rayonnement.

Tout corps matériel se compose à l'échelle microscopique de particules telles que des molécules, des atomes, des ions, des électrons..., et celles-ci ne cessent d'être soumises à diverses sortes de mouvements qui témoignent de la présence en ce corps d'une forme d'énergie particulière, permettant précisément d'y maintenir les déplacements des particules constitutives. Pareils déplacements peuvent être ordonnés, comme c'est le cas pour les électrons d'un fil conducteur soumis à une différence de potentiel ; ils peuvent aussi être plus ou moins désordonnés, comme c'est particulièrement le cas pour l'agitation moléculaire régnant dans un milieu gazeux : quoi qu'il en soit, s'il se trouve que les mouvements des particules sont plus intenses dans une région du corps étudié que dans une autre région contiguë à celle-ci, alors une part de l'énergie soutenant les mouvements des particules se transmettra progressivement de la première à la seconde région à travers leur surface de contact, et ce transfert se poursuivra tant qu'un équilibre n'aura pas été atteint dans l'évaluation d'ensemble des mouvements des particules qui constituent le corps matériel "scindé" suivant cette surface. Un tel transfert d'énergie peut s'effectuer en tout ou en partie sous forme de quantité de chaleur et constitue alors un processus de conduction au sens où nous l'entendrons, c'est-à-dire au sens de conduction thermique (cette expression est à comparer avec la conduction électrique, qui qualifie un processus de transfert d'énergie électrique).

Dans les gaz, le processus de conduction n'opère que lentement. De ce fait, les échanges de chaleur par conduction au sein des milieux gazeux restent souvent faibles, au point de pouvoir être négligés : c'est généralement ce qui survient entre des portions adjacentes de l'atmosphère, où les températures de deux masses d'air qui se côtoient ne sont pas vraiment modifiées par l'action de ce seul processus. Cependant, la surface à travers laquelle se poursuit la conduction peut non seulement délimiter deux régions contiguës d'un même milieu, mais aussi séparer deux milieux adjacents de natures différentes, par exemple l'air et la surface terrestre, ou bien l'air et un feuillage ; dans ce cas, deux facteurs sont susceptibles de renforcer la conduction en l'accélérant : la superficie de la surface de contact, et la différence entre les températures des deux milieux à la jonction de cette surface. En particulier, plus la différence de température (positive ou négative) est forte entre les basses couches d'air d'une part, le sol ou l'étendue d'eau sous-jacents d'autre part, plus important est le développement du processus de conduction transférant l'énergie du milieu le plus chaud vers le milieu le plus froid : c'est là une des circonstances susceptibles d'expliquer que ce processus joue un rôle certes mineur, mais néanmoins non négligeable dans le bilan des échanges d'énergie entre la Terre et son atmosphère.

L'exemple le plus élémentaire de conduction est fourni par une barre de métal que l'on chauffe — ou que l'on refroidit — à l'une de ses extrémités, de sorte que la chaleur — ou le froid — se propage peu à peu le long de cette barre jusque vers l'autre extrémité : on voit ainsi que ce mode de transmission de la chaleur est à distinguer de l'émission d'un rayonnement (la barre peut aussi rougir sous l'effet du réchauffement) et du transport par convection (qui est spécifique des fluides). De façon générale, la conduction agit d'autant plus aisément que la microstructure du corps où elle s'applique apparaît plus régulière, ce qui est principalement le cas des solides cristallisés — la chaleur s'y transmet à travers les vibrations des atomes — et des éléments métalliques — le transfert de chaleur y résulte des mouvements des électrons libres.

Il existe ainsi une hiérarchie dans la conductibilité thermique des milieux matériels, c'est-à-dire dans leur plus ou moins grande aptitude à effectuer le transfert de chaleur par conduction : déjà le verre, le sable, le bois, par exemple, sont moins bons conducteurs que les métaux, et les liquides sont souvent de plus mauvais conducteurs encore, en raison des mouvements irréguliers auxquels peuvent être soumises les molécules qui les composent. Dans les gaz, qui sont moins denses que les solides et les liquides, le transfert de chaleur est faible parce que lent, car il s'effectue par le biais de collisions aléatoires entre les molécules du milieu gazeux, lesquelles sont comparativement plus "rares" pour un volume fixé : c'est pourquoi, en dehors des couches proches de la surface terrestre, les transformations thermodynamiques subies par les parcelles d'air en mouvement au sein de l'atmosphère peuvent être considérées comme adiabatiques (c'est-à-dire sans échanges de chaleur), du moins à l'échelle aérologique.

Par ailleurs, on assimile fréquemment à un type particulier de conduction, qualifié de conduction turbulente, certains mouvements de convection de l'air se produisant à des échelles spatio-temporelles à la fois bien supérieures à l'échelle microscopique et bien moindres que l'échelle aérologique. Ces mouvements se manifestent par la montée de "bulles" d'air chaud nettement plus petites que lors des ascensions de thermiques, mais se formant elles aussi dans un environnement aérien secoué par des turbulences et échauffé au contact de pans de sol dont la température excède fortement celle de la couche de surface qui les surplombe immédiatement. Cette appellation n'est toutefois pas entièrement exacte, car le phénomène qu'elle désigne met en jeu deux processus d'échanges de chaleur (la conduction et la convection).