FORMULES de PHYSIQUE
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CONTACT du CORPS HUMAIN avec la CHALEUR
-contact du corps humain avec la chaleur
Le contact de notre enveloppe corporelle avec le milieu où nous évoluons s'effectue par les 3 modes connus d'échanges thermiques :
Le RAYONNEMENT (sur NOTRE PEAU)
On se fait bombarder par des rayons, donc ce mode de chaleur est dit par «rayonnements à effets thermiques» Ce sont des particules (photons) dont certaines nous apportent leur énergie cinétique qui se transforme en chaleur au contact de la peau (les autres photons apportent de l'énergie lumineuse et de l'énergie ionisante, qui ont d'autres rôles que de chauffer)
Le milieu dans lequel les photons transitent avant de rencontrer notre peau, n'a pas de rôle dans l’apport de la chaleur apportée, car ces photons ne rencontrent que peu de molécules froides sur leur cheminement : on a toujours chaud au soleil (ou sous un tube infrarouge)même avec un air ambiant froid.
La CONDUCTION (sur NOTRE PEAU)
La conduction est la transmission de l’agitation des molécules d’un corps chaud, au moyen de chocs envers les molécules d’un autre corps adjacent, plus froid. L’énergie cinétique qui s’échange entre les molécules est partiellement transformée en chaleur.
Donc la chaleur (énergie calorifique) transmise par conduction circule spontanément du chaud (molécules agitées) vers le froid (molécules tranquilles).
Ce mouvement (chaud >>> froid) est nommé gradient thermique
La conduction sera faible si l’on touche des corps mauvais conducteurs (isolants thermiques)
1° cas: Contact de notre peau avec un corps dont la température est différente
la conduction implique qu’on lui prenne (ou qu’on lui laisse) de la chaleur
Et le ressenti de changement de température (par cette conduction) est spontané
1.1.c'est le cas d'un doigt trempé dans une casserole d’eau qui est à température stable
1.2.c'est le cas d'une immersion totale de notre corps dans l'eau :
–-si elle est plus chaude, la conduction nous apporte de la chaleur, mais cela devient douloureux au-delà de 48° C
–-si elle est plus froide, la conduction nous enlève de la chaleur, et cela devient douloureux en-deçà de 17° C
1.3.c'est le cas d'une immersion de notre corps dans un volume d'air calme (appartement par exemple) La conduction nous fait ressentir la température du lieu
2° cas : Contact de notre peau avec un corps qui est à la même température que nous
Si le corps touché est situé depuis longtemps dans la même pièce que nous, il est à la même température que nous (l’équilibre a eu le temps de s’établir).
Toutefois si ce corps touché a une forte résistance linéique thermique, il absorbe facilement notre chaleur au contact, pour se la répartir dans sa propre profondeur --il aspire nos calories-- et il nous paraît froid au contact (les métaux, les pierres....)
C'est bien sûr le cas inverse pour les matériaux thermiquement isolants, dont la texture n'exprime pas de besoins de gavage d'énergie en profondeur (bois, tapis, étoffes...) et ils ne nous donnent pas d'impression de fraîcheur au toucher
3° cas : Contact avec un matériau qui véhicule des particules de très haute température, sans qu'on en ressente les effets
--par exemple on touche un tube fluorescent, dans lequel il y a un plasma à 6000 degrés--
Le phénomène de conduction alors en cause, ne peut s’exprimer qu'en fonction de l'énergie calorifique réellement échangée par notre peau avec la surface touchée sur le tube.
Or celle-ci est faible, comme l’indique l’explication ci-après >> le vide qui règne dans un tel tube est de l'ordre de 10-6 Pa, ce qui correspond à 1016 particules au m3.Par contre, le tube lui-même -en verre- a une densité particulaire bien supérieure (1024 particules au m3 ) donc il n'y a que 1 particule de verre sur 108 qui acquiert une forte énergie calorifique, ce qui rend le verre partiellement isolant envers notre toucher.
En outre, il n'y a que 10 % des particules du plasma interne qui chauffent au même moment En plus, on ne touche en général qu’une très faible surface du tube (15 %)
Tout cela nous ramène à ne toucher que 10-6 particule de chaleur active, donc le verre ne nous paraît pas chaud au contact, malgré les 6000° qu'il renferme
--autre exemple d'un forgeron, qui tient manuellement à un bout, un fer rougi à l'autre bout :
c’est cette fois dû au coefficient de transfert thermique du fer, qui ne permet pas la transmission de la haute chaleur aussi loin dans sa propre structure
La CONVECTION (sur NOTRE PEAU)
La convection est un échange calorifique entre notre peau et le fluide dans lequel elle baigne
C’est en fait une conduction mobile : dans la conduction, il y a contact stable entre 2 corps, tandis qu’ici, comme l’un des corps est fluide, c’est un milieu déformable et les molécules porteuses de chaleur, migrent d'un lieu à un autre (par diffusion) et ce mouvement modifie (vite) la température de chaque point du milieu
Quand ces molécules rencontrent celles de notre peau, elles créent une conduction évoluant très vite et qu’on nomme convection (ou convexion) La peau ressent une sensation évolutive
En convection, la chaleur se dirige en général du haut vers le bas (car les éléments fluides sont soumis à la gravité)
1° cas : on sent du froid lors d'une évaporation sur la peau
la convection crée ici de la sueur, par échauffement rapide de nos glandes sudoripares
L'échange de chaleur a lieu sous forme d'enthalpie (énergie thermique prise à la peau, assurant la transformation d'état entre sueur liquide et sueur vapeur)
2° cas : on sent la chaleur augmenter quand un radiateur-convecteur reste allumé plus longtemps dans une pièce
Il y a d’abord une convection entre le radiateur et l'air ambiant, avec augmentation de la température, car de plus en plus de volumes d'air sont impliqués et ensuite intervient la convection entre l'air et notre peau
EXEMPLE-TYPE de la CASSEROLE d’EAU CHAUDE
1.le rayonnement est ici le premier type d’échange de chaleur perçu: il s’effectue entre l’énergie apportée par les rayons thermiques émis par une source chaude productrice (genre feu ou plaque électrique) et absorbés par un ensemble de corps utilisateurs (casserole et eau contenue)
2.la conduction est ensuite en cause quand on soulève la casserole grâce à un manche isolant (peu conducteur), ce qui nous évite de ressentir la chaleur cependant proche
3.on perçoit encore la conduction, en trempant le doigt dans l’eau chaude de la casserole
4.il y a de la convection quand la main passe dans la vapeur d’eau qui s’échappe
Cas PARTICULIER
on ressent une sensation de fraîcheur sur la langue, de la part de certains produits (comme le menthol).
Ce n'est pas là un problème thermique, mais chimique: certains récepteurs des papilles linguales excitent alors des sensibilités nerveuses (cependant différenciées)