flux de chaleur

Le plasma micro-onde en tourbillon, c'est comme un mixeur de cuisine qui chauffe et mélange le gaz simultanément. Dans le réacteur, le gaz est mis en rotation, et les micro-ondes le portent à des milliers de degrés, brisant les molécules de dioxyde de carbone.

Dans la couronne solaire, il pleut de temps en temps — mais pas de l'eau, du plasma. Le gaz surchauffé se refroidit, se condense en amas et s'élance vers le bas le long des boucles magnétiques, comme des gouttes sur des gouttières invisibles.

L'Univers primordial ressemble à un ressort comprimé à l'extrême. Dans les premiers instants, il s'est expansé à une vitesse inimaginable — cette phase est appelée inflation.

Une cascade qui ne se réchauffe pas en tombant mais qui gèle : c'est à peu près ce que fait le gaz qui s'écoule sur une étoile à neutrons dans un pulsar à rayons X lorsque l'étoile brille faiblement. D'habitude, la matière qui tombe s'échauffe jusqu'à devenir incandescente, mais une nouvelle étude montre l'inverse.

Un courant océanique large de plusieurs centaines de kilomètres vit sa propre vie, se nourrissant de l'énergie de minuscules remous. Dans l'atmosphère, quelque chose de similaire se produit : les petites turbulences cèdent leur puissance aux immenses flux d'air.

Dans les premiers instants de sa vie, l'Univers ressemblait à un chaudron bouillonnant. En refroidissant, il a connu des transitions de phase — un peu comme la vapeur se transforme en eau, mais au lieu de molécules, c'était l'état de l'espace lui-même qui changeait. Dans ce chaudron naissaient des bulles de la nouvelle phase, semblables aux bulles d'une casserole en ébullition.

Lorsque les physiciens font circuler des électrons dans un canal ultrapur d'arséniure de gallium à des températures hélium, ils s'attendent à voir un liquide docile, presque parfait.

Dans les océans profonds des lunes glacées, l'eau ne reste pas immobile. Des jets d'eau chaude s'élèvent du fond rocheux, mais la rotation de la planète les enroule en de longs rouleaux inclinés, allongés le long de l'axe de rotation. Auparavant, ce processus ne pouvait pas être pris en compte dans les modèles globaux — trop complexe.

Le thé dans une tasse refroidit tranquillement sur la table. Mais si vous passez à proximité à une vitesse proche de celle de la lumière, le thermomètre indiquera une valeur plus élevée — bien que personne n'ait réchauffé le thé. Les calculs le confirment : l'aiguille montera. Il y a cent ans, les physiciens étaient divisés en trois camps.

La cime d'un grand arbre s'agite sous le vent, mais les racines et le tronc restent cachés sous terre. Sur le Soleil, ces racines invisibles sont les champs magnétiques. Ils émergent des profondeurs, traversent toute l'atmosphère et dirigent le mouvement du gaz surchauffé – le plasma.

Dans une casserole de soupe bouillante, les courants bouillonnants transportent la chaleur vers les parois, et la soupe refroidit. Dans un tokamak — une immense bouteille magnétique pour le plasma — il se passe la même chose : les tourbillons de turbulence emportent l'énergie vers l'extérieur, empêchant d'allumer la réaction de fusion.

La supraconductivité, c'est quand un courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Elle apparaît généralement à très basse température, mais certains matériaux la manifestent à des températures plus élevées.

L'effet Mpemba surprend : l'eau chaude gèle parfois plus vite que l'eau froide. Des scientifiques ont construit un modèle simple : une bille dans un milieu épais comme du miel, sur un paysage à deux creux et un mur sur le côté. La bille se déplace de manière visqueuse, sans franchir la bosse centrale.

Le télescope James Webb scrute de plus en plus souvent les exoplanètes — ces mondes qui orbitent autour d'étoiles lointaines. Certaines sont des boules de roche brûlantes, toujours tournées vers leur étoile d'un même côté. Là-bas, la roche fond et forme des océans de lave liquide. Comment cette lave se déplace-t-elle ?

Lorsque les serveurs d'un centre de données fonctionnent à pleine puissance, ils chauffent comme un fer à repasser laissé sans surveillance. Cette chaleur part dans le vide, et le refroidissement consomme encore plus d'énergie. Des ingénieurs allemands ont proposé de mettre cette chaleur à profit : qu'elle pousse elle-même le liquide dans de fins tubes, sans aucun moteur ni pompe.

La glace glisse sous la lame du patin comme un savon mouillé entre les mains. Pendant un siècle, les scientifiques ont débattu de l'origine de cette glissance. Certains affirmaient qu'une fine couche d'eau recouvrait déjà la surface et servait de lubrifiant. D'autres rétorquaient que l'eau n'apparaissait qu'au moment du mouvement, générée par le frottement.

La glace sur une poêle chaude ne fait pas que fondre : elle se met en mouvement. Sous elle se forme une fine couche d'eau, et le morceau glisse comme sur des roulettes. La vitesse de ce glissement dépend de la rapidité avec laquelle la chaleur traverse le film d'eau et de l'inclinaison de la pente.

En hiver, un lac se couvre de glace – et ce processus simple s'avère être un modèle vivant de l'expansion de l'univers. L'épaisseur de la glace augmente selon la même loi mathématique que les distances entre les galaxies lointaines. Le secret réside dans le mouvement de l'eau sous la croûte de glace.

Une casserole d'eau chauffée par le bas est un exemple simple de turbulence. Le liquide chaud monte, le froid descend, et l'écoulement se divise spontanément en cellules de convection qui ressemblent à des rouleaux horizontaux.

Une casserole sur une cuisinière reçoit de la chaleur, mais pas de travail : le gaz sous le couvercle se contente de chauffer. Et si la cuisinière n'était pas ordinaire, mais quantique ? Alors la chaleur et le travail peuvent arriver en même temps, comme d'un moteur qui chaufferait en plus.

Les glaciers ne s'assombrissent pas seulement à cause de la suie. À leur surface vivent de minuscules algues qui, avec le réchauffement, prolifèrent et rendent la glace sombre. La glace sombre absorbe davantage de lumière solaire, fond plus vite et réchauffe encore plus la planète. C'est comme un tee-shirt noir qui devient plus chaud au soleil qu'un tee-shirt blanc.

Si l'on fait passer un courant dans un fil, le fil chauffe. Tout le monde le sait, surtout ceux qui ont déjà touché un chargeur de téléphone. Les physiciens appellent cela l'effet Joule, en l'honneur de James Joule, qui, au milieu du XIXe siècle, a mesuré la quantité de chaleur produite par l'électricité.

Dans un gaz brûlant de particules chargées — le plasma — les champs électriques chaotiques agissent comme un tamis. Une particule lente s'entoure d'un nuage de charges opposées qui neutralise le champ externe. Une particule rapide, elle, perd cette armure et se fait accélérer.

L'idée de l'expansion de l'univers, proposée par Georges Lemaître, trouve une analogie inattendue. L'espace se comporte comme un piston dans un cylindre : l'énergie noire le pousse, telle la vapeur.

Le parapente, le deltaplane et le planeur : trois ailes différentes, mais dans le ciel, ils se comportent de la même manière. Les pilotes attrapent des courants d'air chaud invisibles, montent avec eux, puis glissent vers le suivant. Ce vol ressemble à une partie de marelle : un saut vers le haut, puis une glissade vers l'avant, et encore une recherche d'endroit pour sauter.

Un mince filet d'eau coule sur une planche froide et inclinée et se transforme sous vos yeux en une crête de glace. D'abord, l'eau se fraye un chemin droit dans la glace, comme si elle renforçait ses propres berges. Puis le ruisselet commence à serpenter, et la glace s'étale rapidement sur les côtés. Enfin, la crête cesse de s'élargir et commence à s'épaissir, lissant les irrégularités.

L'eau dans un verre refroidit, la glace fond, et la bouilloire chauffe la cuisinière : c'est ainsi que fonctionne le monde, la chaleur va toujours du chaud vers le froid. C'est le deuxième principe de la thermodynamique, une loi qui n'a jamais été violée.

Les Jupiter chauds — des exoplanètes géantes qui tournent tout près de leur étoile — sont mystérieusement gonflés. Leur rayon dépasse souvent de 50 à 100 % ce que prédisent les modèles standards de formation.

L'eau coule toujours vers le bas, et la chaleur va du chaud au froid. C'est ce que dicte l'entropie. Mais le monde quantique trouve des failles. Des physiciens ont fait interagir des particules de lumière avec des milieux chaud et froid dans un ordre indéterminé — comme une pièce lancée en l'air qui n'est pas encore retombée.