transferts thermiques - pontonniers

Thème 2 : Lois et Modèles – Energie, matière et rayonnement
Transferts d’énergie microscopique et macroscopique
Transferts d’énergie entre systèmes macroscopiques
Notions de système et d’énergie interne. Interprétation
microscopique.
Capacité thermique.
Transferts thermiques : conduction, convection,
rayonnement.
Flux thermique. Résistance thermique.
Notion d’irréversibilité.
Bilans d’énergie.
I.
Savoir que l’énergie interne d’un système macroscopique
résulte de contributions microscopiques.
Connaître et exploiter la relation entre la variation d’énergie
interne et la variation de température pour un corps dans un
état condensé.
Interpréter les transferts thermiques dans la matière à
l’échelle microscopique.
Exploiter la relation entre le flux thermique à travers une
paroi plane et l’écart de température entre ses deux faces.
Établir un bilan énergétique faisant intervenir transfert
thermique et travail.
Système microscopique et macroscopique :

L’approche microscopique décrit le comportement individuel des constituants d’un système
(atomes, molécules, particules).
L’approche macroscopique ne s’intéresse qu’au comportement de l’ensemble des constituants du
système, à une échelle facilement accessible à l’être humain.
Rappeler la relation entre le nombre d’entités et la quantité de matière contenus dans un
échantillon. Laquelle de ces grandeurs est-elle macroscopique ? Microscopique ?
Rq : en réalité les atomes et molécules ne sont pas observables au niveau microscopique, mais
nanoscopique (échelle du nanomètre). Les outils utilisés pour les « observés » ne sont pas des
instruments optiques ; on utilise par exemple des « microscopes » à effet tunnel :
http://www.futura-sciences.com/videos/d/physique-quantique-quest-ce-effet-tunnel-658/

Un système macroscopique est constitué d’un grand nombre d’atomes ou de molécules, assimilés à
des points matériels.
Tout ce qui n’appartient pas au système macroscopique est dit extérieur au système.
L’ensemble « système + extérieur » constitue donc tout l’Univers.


On appelle système fermé un système qui n’échange pas de matière avec le milieu extérieur.
On appelle système isolé, un système qui n’échange aucune énergie avec le milieu extérieur.
 Ex n°4, 5 P 375
II.
Energie interne :

L’énergie totale Etot d’un système fermé est la somme de son énergie interne U, d’origine
microscopique, et de son énergie mécanique Em, d’origine macroscopique :
Etot = U + Em

L’énergie interne U d’un système est exprimée en joules (J), est une grandeur macroscopique définie
comme la somme des énergies microscopiques des particules constituant le système étudié :
Il s’agit des énergies stockées par un système, autrement que sous forme d’énergie mécanique.
Elle comprend :
les énergies cinétiques des particules composant le système (qui sont en mouvement du fait de leur
agitation thermique) ; macroscopiquement, liées à la température
les énergies potentielles d’interactions entre atomes (liaisons au sein des molécules), entre ions
(cohésion d’un cristal ionique) et entre molécules (interactions de van der Waals, liaisons
hydrogène) ; macroscopiquement liées aux changements d’états
-

Il n’est pas possible a priori de déterminer l’énergie interne absolue d’un système : seule est
mesurée sa variation ΔU, qui dépend uniquement de l’état initial du système et de son état final
Le graphe ci-dessus présente l’évolution de la température en fonction de l’énergie apportée à une
masse m=500g d’eau initialement sous forme de glace à la température θ1=-5°C qui se transforme
par étapes en vapeur d’eau à la température θ4=120°C.
Préciser pour chaque étape quel type d’énergie interne varie au cours de l’apport d’énergie au
système ; préciser les conséquences macroscopiques et microscopiques de cet apport.

Calcul de la variation d’énergie interne ΔU d’un système :
-
Si la variation d’énergie interne se traduit par :
Une variation de température du système
- Un changement d’état
=> Variation d’énergie cinétique
=> Variation d’énergie potentielle
ΔU = C . (Tf – Ti) = m . c . (Tf – Ti)
ΔU = m . L
C : est la capacité thermique exprimée J.K–1
ΔT s’exprime en kelvin (K)
c est la capacité thermique massique exprimée
en J.kg-1.K-1
La capacité thermique d’un système caractérise
sa capacité à stocker ou à céder de l’énergie
interne.
L : la chaleur latente de changement d’état
exprimée en J.kg-1
m : masse du corps en kg
La chaleur latente de changement d’état
caractérise la quantité d’énergie que doit
recevoir ou perdre le système pour changer
d’état.
 Calculer les variations d’énergie interne subie par les 100g d’eau jusqu’à ce qu’ils soient entièrement
transformés en vapeur d’eau.
 Ex n°10, 12, 19 P 375
III.
Transfert thermique :

L’existence d’une différence de température entre deux systèmes, ou entre deux parties d’un
système, induit un transfert spontané d’énergie de la partie la plus chaude vers la plus froide. On
parle de transfert thermique ou « chaleur ». Le transfert thermique est noté Q.

Les transferts thermiques peuvent s’opérer de trois façons.
La conduction est un transfert thermique par contact sans transport de matière : d’un point de vue
microscopique, les constituants du matériau conducteur communiquent à leurs voisins leur agitation
thermique, tout en restant à la même place. C’est le seul mode de transfert thermique dans les
solides.
La convection est un transfert thermique porté par un mouvement global de matière ; ce mode de
transfert thermique ne concerne pas les solides.
Le transfert thermique par rayonnement est généré par l’absorption ou l’émission d’un
rayonnement électromagnétique. C’est le seul mode de transfert thermique dans le vide (ne
nécessite pas de milieu matériel).
-
-

L’équilibre thermique d’un système est atteint lorsque tous les constituants d’un système ont la
même température.

Lorsqu’on touche simultanément un objet en bois et un objet en métal entreposée depuis
longtemps dans un même environnement, on dit couramment que l’objet en métal est « froid ».
Pourquoi commet-on une erreur ? Expliquer la sensation ressentie.
Conséquence : il ne faut pas confondre transfert thermique et température.
Le terme de transfert thermique est préféré à « chaleur ». Dans la vie courante, la chaleur est
souvent confondue avec un état de température ; le transfert thermique est un échange d’énergie
entre deux systèmes et ne peut être assimilé à la température d’un système.

Les transferts thermiques sont une cause d’irréversibilité : le système évolue alors par transfert
thermique vers un état final sans pouvoir spontanément revenir à son état initial. Il faut alors un
apport d’énergie extérieur sous une autre forme que le transfert thermique (travail mécanique par
exemple)
 Exercices n°7, 22 P 375
Variation d’énergie interne – rendement énergétique :
IV.

La variation de l’énergie interne d’un système est due aux transferts par travail électrique (noté W e),
par travail mécanique (noté W) ou aux transferts thermiques (notés Q).
ΔU = We + W + Q

Si un système n’échange pas de travail W et de transfert thermique Q avec l’extérieur, alors
l’énergie interne de ce système est conservée : on dit que ce système est isolé. Il en résulte :
ΔU = W + Q = 0
 Exercice n°14, 17, 32 P 382

Rendement d’un convertisseur d’énergie :
énergie utile
rendement 
énergie reçue par convertisseur
Exemple : bilan énergétique d’un chauffage solaire
L’eau circulant dans le circuit primaire d’un chauffeeau solaire utilise la puissance solaire reçue, estimée à
2,2×103 W, pour chauffer les 200 L d’eau d’un ballon.
En une heure, l’eau du ballon passe de T1 = 15°C à
T2 = 22°C. Quel est le rendement du convertisseur
(capteur solaire + chauffe-eau) ?
On donne la capacité thermique de l’eau :
c = 4,2 kJ.kg–1.K–1.
Quelques chaleurs massiques :
Etat
Substance
Chaleur
massique c (J.kg1 -1
.K )
Aluminium
890
Cuivre
380
Solide
Fer
460
Eau (glace)
2090
Eau
4185
Ethanol
2480
Liquide
Mercure
1490
Quelques chaleurs latentes de vaporisation :
Liquide
eau
dioxygène
diazote
éthanol
Lv (kJ.kg-1)
2260
212
200
906
LL (kJ.kg-1)
-2260
-212
-200
-906
RAPPEL : relation puissance – énergie
W
E
P
t
J
s
1 W = 1 J.s-1
V.
Flux thermique :

Le flux thermique Φ caractérise la vitesse du transfert thermique Q, pendant une durée Δt, au sein
d’un système ou entre différents systèmes :

Q
t
Q en joule (J),
Δt en seconde (s),
Φ en watt (W) (=J.s-1)
Plus le flux thermique est important, moins le mur est isolant.

À travers une paroi plane d’aire S et d’épaisseur e, le flux thermique se calcule avec la formule
suivante :
S
     TA  TB 
e
où λ est la conductivité thermique du
matériau
et TA – TB est l’écart de température entre
les deux faces A et B de la paroi
Le transfert thermique se fera toujours de
la pièce chaude à la pièce froide à travers
cette paroi ; ce transfert est irréversible.
Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus le matériau est isolant.
λbois de sapin = 0,15
λplacoplâtre = 0,46
λbéton = 1,4

La résistance thermique d’un corps traduit sa capacité à s’opposer au transfert thermique (on
retrouve ici une analogie forte avec l’électricité) :
e
Rth 
 S
Plus la résistance thermique est élevée, plus le mur est isolant.
Rth est en K.W−1 si e est l’épaisseur de paroi en m, S sa surface en m² et λ la conductivité thermique
du matériau en W.m−1.K−1.

Les résistances thermiques s’additionnent : Rth,mur = Rth,brique + Rth,polystyrene + Rth,platre

Etablir l’expression de Φ en fonction de TA, TB et Rth.
Comment varie θ lorsque Rth augmente ?
 Exercices n° 8, 9, 13 et 25 P375