Dans le cadre du chapitre « Energie et travail », nous avons vu qu
TRANSFERTS D’ENERGIE ENTRE SYSTEMES MACROSCOPIQUES Dans le cadre du chapitre « Energie et travail », nous avons vu qu’en apportant de l’énergie à un système sous forme de travail, une action mécanique pouvait modifier sa vitesse ou sa position, autrement dit avoir un EFFET MACROSCOPIQUE sur le mouvement d’ensemble du système. En réalité, une action mécanique peut aussi agir à l’échelle microscopique. Pour rendre compte des effets microscopiques d’une force sur un système, une nouvelle grandeur, appelée ENERGIE INTERNE U, est définie. I – QU’EST-CE QUE L’ENERGIE INTERNE D’UN SYSTEME ? (a) DESCRIPTION MICROSCOPIQUE DE LA MATIERE AU SEIN DU SYSTEME D’ETUDE (a) A l’état solide, les atomes ou molécules sont liés entre eux par des liaisons plus ou moins fortes, qui limitent fortement leurs déplacements les uns par rapport aux autres. Les seuls mouvements autorisés sont des mouvements de vibration dans les directions verticales et horizontales. (b) A l’état liquide, la matière est moins condensée. Les atomes ou molécules sont toujours liées les unes aux autres par des liaisons chimiques. Mais ces liaisons étant des liaisons hydrogène ou de Van der Waals, c'est-à-dire des liaisons de faible énergie, elles permettent aux atomes et molécules de se mouvoir plus librement les uns par rapport aux autres. (c) A l’état gazeux, les atomes ou molécules ne sont plus liés les uns aux autres et peuvent évoluer librement indépendamment les uns des autres. (b) ENERGIE CINETIQUE MICROSCOPIQUE. Les molécules et atomes constituant un système, de température T, sont en perpétuel mouvement. Plus la température T du système est élevé, plus les atomes ou molécules les constituant sont agitées. On parle d’AGITATION THERMIQUE. Il est donc possible de définir, pour chaque particule du système, une ENERGIE CINETIQUE MICROSCOPIQUE. Une façon d’évaluer l’énergie cinétique microscopique d’un système consiste à en mesurer sa TEMPERATURE. Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 1 , = × × = × Où est une constante, appelée constante de Particule Boltzmann × ̅ ² par particule : (c) ENERGIE POTENTIELLES MICROSCOPIQUES. T1 > T2 3. ENERGIE POTENTIELLE MICROSCOPIQUE. a. ETUDE DUR UN EXEMPLE Changement d’état s’opérant à température et pression constante Etat liquide Etat gazeux Quand l'eau bout, c'est à dire passe de l'état liquide à l'état gazeux, des liaisons hydrogène et de Van der Waals sont brisées. La rupture de ces liaisons se traduit : • à l'échelle microscopique, par l'éloignement des molécules d'eau les unes par rapport aux autres et à une modification des interactions électrostatiques entres les molécules. • à l'échelle macroscopique, par un phénomène de dilatation, c'est à dire par une augmentation de volume du système. Cette augmentation de la distance moyenne intermoléculaire ne peut être attribuée à une variation d'énergie cinétique dans la mesure où le changement d'état se fait à température constante. Il est donc nécessaire de définir une autre forme d'énergie microscopique : l'énergie potentielle microscopique. VARIATION DES DISTANCES ENTRE LES PARTICULES CHANGEMENT D’ETAT VARIATION D’ENERGIE POTENTIELLE DE NATURE ELECTROSTATIQUE b. CONCLUSION A chaque particule d’un système est associée une énergie potentielle microscopique, correspondant à l’énergie emmagasinée par une particule du fait de ses interactions électrostatiques et fortes avec les autres particules du système. Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 2 Une variation de l’énergie potentielle microscopique se traduit par : Une variation de la distance moyenne entre les molécules à l’échelle microscopique Une variation de volume du système à l’échelle macroscopique. 4. ENERGIE INTERNE D’UN SYSTEME DEFINITION …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………. 5. ENERGIE TOTALE D’UN SYSTEME …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………. II – BILAN D’ENERGIE (a) QUELS SONT LES PHENOMENES A L’ORIGINE DE LA VARIATION DE L’ENERGIE INTERNE D’UN SYSTEME ? a. ETUDE SUR DES EXEMPLES Milieu extérieu Travail de la force de frottement Milieu extérieu Météorite Transfert thermique par rayonnement sculpture L’énergie apportée par le force de frottement au système Le rayonnement solaire apporte l’énergie nécessaire au contribue à échauffer la météorite, c'est-à-dire à système pour le faire fondre, et donc pour modifier son augmenter l’énergie cinétique microscopique et donc à énergie potentielle microscopique et faire varier son faire varier l’énergie interne du système énergie interne. Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 3 La force pressante exercée par un opérateur sur le piston d’une seringue remplie de gaz provoque : Une diminution du volume gazeux, correspondant à l’échelle microscopique, à un rapprochement des molécules et donc à une variation de l’énergie potentielle d’interaction intermolécyulaire et une augmentation de la température du gaz, correspondant à l’échelle micrsocopique à une augmentation de l’énergie cinétique microscopique. Cette variation de l’énergie interne résulte alors de l’interaction entre le gaz et l’opérateur qui a fourni un travail correspondant au travail de la force pressante. Milieu extérieu Travail de la force pressante Gaz contenu dans le piston CONCLUSION : …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. (b) PREMIER PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE a. ENONCE DU PRINCIPE Comme vus dans le précédent chapitre, la variation de l’énergie mécanique résulte également du travail des forces non conservatives. Ainsi : Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 4 …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. Remarque : En règle générale, dans les exercices, la variation d’énergie mécanique est nulle, dans la mesure où le système est, dans la plupart des cas, immobile b. CONVENTION DE SIGNE …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… é é SYSTEME é é En distinguant travail et chaleur cédés ou fournis, le premier principe de la thermodynamique s’écrit : Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 5 ETUDE SUR UN EXEMPLE – LE MOTEUR Dans le cas d’un moteur de voiture, la combustion de l’essence fournit au moteur l’énergie nécessaire pour entraîner les pistons qui produiront à leur tour l’énergie nécessaire pour faire tourner les roues de la voiture sous forme de travail. A ce travail fourni, s’ajoutent en règle générale des pertes sous forme de chaleur liées aux frottements des différentes pièces mécaniques MOTEUR (c) CAS PARTICULIERS a. CAS DES SYSTEMES AU REPOS OU DONT L’ENERGIE MECANIQUE RESTE CONSTANTE …………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… b. CAS DES SYSTEMES SUBISSANT UNE TRANSFORMATION CYCLIQUE …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 6 Mise en application Q1 – Identifier les transferts thermiques sous forme de travail et de chaleur, ainsi que les systèmes avec lesquels le fluide frigorigène échange de l’énergie. Constituer un digramme résumant ces échanges d’énergie entre le fluide frigorigène et l’extérieur. Q2 – Traduire la conservation de l’énergie interne du fluide en régime permanent. Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 7 (d) VARIATION DE L’ENERGIE INTERNE DANS LE CAS D’UN SYSTEME CONDENSE (SOLIDE OU LIQUIDE) N’ECHANGEANT DE L’ENERGIE QUE PAR TRANSFERT THERMIQUE. a. EXPRESSION DE LA VARIATION D’ENERGIE INTERNE …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. Remarque 1 : Cette relation suppose négligeable les variations de volume du solide ou du liquide avec la température. Remarque 2 : Cette relation est également valable pour un gaz dans le cas où le système ne subit aucune variation de volume Remarque 3 : Conversion Kelvin/degré Celsius T en Kelvin = en ° celsius + 273,15 Remarque 4 - La capacité calorifique massique correspond à l’énergie qu’il faut fournir à 1 kg de solide ou de liquide pour faire varier sa température de 1 Kelvin (ou 1 °C) b. MISE EN APPLICATION Un volume V1 = 50,0 mL d'eau à 15°C et un autre V2 = 75 mL d'eau à 95 °C sont introduits dans un calorimètre. Au bout d'un certain temps, le système, constitué des deux volumes d'eau, atteigne un équilibre thermique. Q1 - Exprimer les variations interne de chacun des deux sous-systèmes. Q2 - Que peut-on dire de la variation interne du système ? Q3 - En déduire la température finale de l'eau. Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 8 Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 9 III – TRANSFERTS D’ENERGIE THERMIQUE Nous venons de voir qu’une partie de la variation de l’énergie interne d’un système provient de transferts thermiques. Le but de cette partie est de comprendre quand et comment s’effectuent ses transferts thermiques. 1. A QUELLE CONDITION S’OPERE UN TRANSFERT THERMIQUE ? …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. ILLUSTRATION DU PROCESSUS Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 10 En retirant la paroi isolante, les particules situées dans la zone la plus chaude ont communiqué leur agitation thermique aux particules situées dans la zone la plus froide : Il y a eu transfert d’énergie des particules de la zone chaude vers les particules de la zone froide : les particules chaudes ont perdu un peu de leur énergie thermique qu’elles ont communiquée aux particules froides pour que s’établisse un nouvel équilibre thermique. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. 2. LES DIFFERENTS MODES DE TRANSFERTS THERMIQUES Il existe trois modes de transfert thermique : a. LE TRANSFERT THERMIQUE PAR RAYONNEMENT …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. PROPRIETE DU RAYONNEMENT : …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… b. LE TRANSFERT THERMIQUE PAR CONVECTION …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 11 …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… PROPRIETES DU TRANSFERT THERMIQUE PAR CONVeCTION (a) ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… (b) ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… (c) ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… Interprétation microscopique. Pour comprendre le processus de transport d’énergie au cours du transfert thermique par convection, prenons l’exemple d’une casserole d’eau mise à chauffer sur une plaque. Les particules de fluide situées dans la zone la plus chaude (c'est-àdire au plus près de la source de chaleur) ont une masse volumique plus faible que les particules plus froides, de sorte qu’elles s’élèvent et laissent la place aux particules initialement situées dans la zone froide. En s’élevant, elles cèdent de l’énergie au milieu extérieur et voient leur température diminuée de sorte qu’elles finissent par redescendre à leur tour. Au contraire, les particules froides qui sont descendus au voisinage de la source de chaleur voient leur température augmenter, de sorte qu’elles deviennent plus légères et finissent par remonter vers la zone la plus froide. Il en résulte un déplacement collectif des particules de fluide de haut en bas, puis de bas en haut permettant une homogénéisation de la température au sein de la casserole. c. LE TRANSFERT THERMIQUE PAR CONDUCTION …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 12 PROPRIETES DU TRANSFERT THERMIQUE PAR CONDUCTION (a) ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… (b) ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… Interprétation microscopique. Pour comprendre le processus de transport d’énergie au cours du transfert thermique par conduction, prenons l’exemple de la propagation de la chaleur le long d’une barre métallique dont une des extrémités est placée au dessus de la flamme d’une bougie. Les molécules situées au voisinage d’une source chaude, sont davantage agitées. Elles communiquent leur agitation thermique, tout en restant globalement sur place, aux molécules situées à leur voisinage, qui mettent à leur tour en mouvement les particules directement en contact avec elles. 3. ETUDE DU TRANSFERT THERMIQUE PAR CONDUCTION TRANSFERT THERMIQUE A TRAVERS UNE PAROI. En vue d’effectuer des bilans d’énergie au sein de l’habitat, intéressons-nous aux transferts thermiques s’opérant à travers une paroi. Pour quantifier les pertes d’énergie s’opérant au niveau d’une cloison ou d’une fenêtre ou apprécier les qualités d’isolation d’un matériau, une nouvelle grandeur est introduite : le flux thermique. A. NOTION DE FLUX THERMIQUE …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 13 EXEMPLE : Le mur de la figure page 12 laisse passer en une heure une énergie thermique de 1,73 × 10 . Calcul du flux thermique correspondant. B. NOTION DE RESISTANCE THERMIQUE Lorsque les températures T1 et T2 de part et d’autre de la paroi sont constantes (avec T1 > T2), il est possible de définir, pour le matériau constituant la paroi, une résistance thermique …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… C. CONDUCTIVITE THERMIQUE D’UN MATERIAU Tous les matériaux ne conduisant pas la chaleur de la même façon, est définie, pour chaque matériau, une conductivité thermique, notée l et exprimée en . . Plus la conductivité thermique du matériau est élevée, plus le matériau est capable de conduire la chaleur. Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 14 D. LIEN ENTRE CONDUCTIVITE THERMIQUE ET RESISTANCE THERMIQUE …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… CONSEQUENCE …………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………… E. CAS D’UNE ASSOCIATION DE PAROIS EN SERIE ………………………………………….......... ………………………………………….......... ………………………………………….......... ………………………………………….......... ………………………………………….......... ………………………………………….......... ………………………………………….......... Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 15 F. ETUDE SUR UN EXEMPLE La culture des germes biologiques en recherche biomédicale nécessite des chambres d'incubation parfaitement thermostatées. Dans un laboratoire de recherche, une première chambre doit être maintenue à 20 °C et une deuxième chambre à - 5 °C. Pour une isolation optimale du mur mitoyen entre les deux chambres, la structure en béton du mur de 40 cm d'épaisseur est renforcée en ajoutant différentes couches de matériaux: 1,0 cm de plâtre cartonné + 5,0 cm de polystyrène expansé + 1,5 cm d'enduit projeté. Q1 - En l'absence d'isolation, calculer la résistance thermique du mur Q2 - En déduire le flux thermique du mur en l'absence d'isolation Q3 - Calculer la résistance totale du mur isolé. Q4 - En déduire la valeur du flux thermique après isolation. Conclure Isabelle GILLIERON GENESTE – TRANSFERTS THERMIQUES Page 16
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