THERMORÉGULATION, biologie

La conduction et la convection

Un échange de chaleur par conduction se produit entre des corps en contact, qu'ils soient solides, liquides ou gazeux. La conduction transfère de l'énergie du corps le plus chaud vers le corps le plus froid. Le flux d'énergie Q qui est échangé par conduction entre un animal à la température T_C et son milieu à la température T_A est proportionnel à la différence de leurs températures (T_C −  T_A) selon Q = k ( A ( (T_C − T_A)/x, où A représente la surface corporelle, x l'épaisseur de l'enveloppe (la région où l'on passe de T_C à T_A) et k un coefficient de conductivité thermique qui dépend de la nature du milieu. Ce coefficient k est environ vingt-cinq fois plus élevé pour l'eau que pour l'air (5,9 ( 10⁻¹, contre 2,4 ( 10⁻² J ( s⁻¹ ( m⁻¹ ( ⁰C⁻¹), ce qui explique qu'un animal se refroidit beaucoup plus vite dans de l'eau que dans de l'air à la même température. On comprend également que le pelage ou le plumage, qui emprisonnent de l'air et abaissent le gradient de température (T_C-T_A)/x en augmentant l'épaisseur x de l'enveloppe, soient de bons isolants thermiques (en milieu aérien tout au moins).

Le transfert de chaleur dans les fluides est accéléré par des mouvements de convection. L'air ou l'eau qui s'échauffent au contact du corps sont remplacés par du fluide froid, ce qui a pour effet d'augmenter la vitesse de refroidissement du corps. La convection du fluide peut avoir deux causes, une différence de température, qui provoque des changements de densité (d'où une convection dite libre ou naturelle), ou des forces mécaniques externes (vent, courant d'eau, ventilateur, etc.) – on parle alors de convection forcée.

Le rayonnement

Ce mode de transfert est plus délicat à appréhender. Nos yeux perçoivent les rayonnements électro-magnétiques de longueur d'onde comprise entre 0,4 et 0,7 μm, qui correspondent à ce qu'on appelle la « lumière visible ». Nous ne voyons pas les ondes de longueur d'onde supérieure, mais ces dernières, lorsqu'elles sont suffisamment fortes, peuvent être perçues en tant que chaleur. Elles correspondent aux rayons infra-rouges (IR), encore appelés rayons thermiques. Le rayonnement thermique d'un corps dépend de la température de sa surface, à la fois pour son intensité et pour sa longueur d'onde. Plus la surface est chaude, plus l'énergie rayonnée est forte et plus la longueur d'onde de ce rayonnement est courte. Les animaux émettent des rayons IR de longueur d'onde voisine de 10 μm. Cette émission est indépendante de la couleur des animaux dans le visible, elle ne dépend que de la température superficielle des animaux. Inversement, les animaux absorbent l'IR, et cela de la même façon quelle que soit leur couleur (ils se comportent vis-à-vis de l'IR comme des corps noirs). En revanche, leur couleur conditionne leur absorption des rayons solaires visibles. Le transfert de chaleur entre l'animal et son milieu est donc permanent. L'air est presque parfaitement transparent à ce genre de rayonnement, et le transfert de chaleur entre deux corps est en première approximation proportionnel à la différence de leurs températures. Par contre, le rayonnement n'intervient pas dans l'eau.[...]