La convection correspond au mode de transport d’énergie où la chaleur est « entraînée » par un fluide. Examinons l’eau d’une casserole placée sur une source de chaleur. Au fond de la casserole, l’eau réchauffée, moins dense que l’eau environnante, monte vers la surface. Au contact de l’air ambiant plus froid, l’eau se refroidit. Devenant plus dense, l’eau retourne au fond pour reprendre le cycle de chauffage. Ainsi, l’eau se déplace dans la casserole, créant un mouvement de convection.
La propagation de la chaleur par rayonnement ne nécessite pas de support matériel et donc est particulièrement à l’œuvre dans l’Univers, où règne un vide excellent. Dans ce cas, ce sont les ondes électromagnétiques qui transportent l’énergie. La lumière visible et infrarouge, émise par le Soleil, réchauffe la Terre de cette façon : le jour, il fait chaud et, la nuit, la température chute.
Pour pallier aux trois types de propagation de la chaleur, l’enceinte froide d’un cryostat repose sur une enceinte externe par le biais d’une structure faite d’un matériau à faible conductivité thermique et minimisant les contacts afin de réduire au maximum le transfert de chaleur par conduction. Un vide, maintenu entre les deux enceintes, élimine le transfert de chaleur par convection. En outre, une pellicule métallisée restreignant l’émission et l’absorption de radiation infrarouge recouvre les deux enceintes. En réalité, ce système de protection contre la chaleur comporte plusieurs chambres, à la manière des poupées russes. La première chambre maintient la température à 77 K avec un apport d’azote liquide et une autre plus interne est maintenue à 4 K par un apport d’hélium liquide.
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Schéma d'un cryostat. Au centre, l'enceinte d'hélium liquide est séparée par un vide de l'enceinte à l'azote liquide, elle-même séparée par un vide de l'enceinte extérieure. |
