TS www.pichegru.net 20 janvier 2017 P4 : Transfert d’énergie ÉÉn neerrggiiee iin ntteerrn nee Plan du chapitre Transferts thermiques Définitions Modes de transferts thermiques Énergie interne Augmentation de température d’un système condensé Bilan énergétique Généralités Dans le domaine du logement Savoir que l’énergie interne d’un système macroscopique résulte de contributions microscopiques. Connaître et exploiter la relation entre variation d’énergie interne et la variation de température d’un corps dans un état condensé. Dans un système fermé, il n’y a aucun échange de matière avec l’extérieur. L’énergie interne U d’un système fermé est la somme des énergies microscopiques cinétiques de ses particules (agitation des atomes) et des énergies potentielles d’interaction (énergie de liaison entre atomes, molécules, ions, au sein des noyaux et énergie de masse). TTrraan nssffeerrttss tthheerrm miiqquueess L’énergie interne est très difficle à quantifier dans sa globalité : on ne s’intéresse qu’à ses variations ∆U. Exploiter la relation entre le flux thermique à travers une paroi plane et l’écart de température entre ses deux faces. Interpréter les transferts thermiques dans la matière à l’échelle microscopique. Augmentation de température d’un système condensé Aspect microscopique de la température : L’énergie thermique accumulée par un corps est due à l’agitation des atomes ou molécules qui le composent. Un système condensé est un système composé exclusivement de solides et/ou de liquides. Lorsqu’un système condensé est chauffé sans changement d’état, son énergie interne augmente : What is Temperature? ∆U = C· ∆T Définitions C est sa capacité thermique ou calorifique (en J·K-1). Transfert thermique : échange de chaleur d’un corps chaud vers un corps froid. Cet échange spontané ne se fait que dans le sens chaud → froid. Il est irréversible. Il se fait jusqu’à équilibre des températures. C est souvent exprimé par le produit m· c ou m est la masse du système considéré est c est sa capacité calorifique massique, en J·kg-1·K-1 (unité S.I). Flux thermique Pth : puissance (en W) de l’échange d’énergie Q (en J) entre les 2 corps. Comme toujours, la puissance est l’énergie échangée par unité de temps. Q Pth = ∆t Remarque : la capacité calorifique massique n’est pas toujours exprimée en unité S.I. Il faudra donc y faire attention. On rappelle qu’une augmentation de x kelvins est égale à une augmentation de x °C. Exemple : Augmentation de température de l’eau L’eau a une capacité calorifique massique de 4,2 J·g-1·K-1. Relation entre énergie et puissance Considérons 1 L d’eau que l’on souhaite faire passer de 20 °C à 80 °C. De manière générale, il faut se rappeler qu’une puissance est un « débit » d’énergie. Une puissance de 1 W correspond à un échange d’énergie de 1 J chaque seconde. C vaut ici 4,2×1000 = 4,2 kJ·K-1, car 1 L d’eau pèse environ 1000 g et une augmentation de 60 °C est également une augmentation de 60 K. Donc ∆U = 4,2×60 = 252 kJ. Résistance thermique Rth : facteur de proportionnalité entre la différence de température ∆T = TC – TF (≥ 0) entre les deux corps et le flux thermique Pth. Signes de échanges d’énergie Comme toujours, on utilise la convention dite convention du banquier : • une énergie perdue par le système est comptée négativement. • une énergie gagnée par le système est compté positivement. ∆T = Rth·Pth La résistance thermique Rth (en K·W-1) d’une paroi a pour expression : Rth = e λ⋅S λ : conductivité thermique en W·m-1·K-1 e : épaisseur de la paroi en m S : surface de la paroi en m2 ère Rappel de 1 S Lorsqu’un corps pur change d’état, sa température reste constante au cours de la totalité du changement d’état. Remarquer la similitude avec la loi d’Ohm U = R· I : U est une différence de potentiel provoquant un flux de charge I de même que ∆T est une différence de température provoquant un flux d’énergie thermique Pth. L’énergie échangée au cours de ce changement d’état dépend de la masse de corps pur considérée m et de la chaleur latente L de ce corps pur pour le changement d’état considéré (liquéfaction-solidification ou ébullitioncondensation). Modes de transferts thermiques E = m· L Conduction : transfert de proche en proche. L’agitation des atomes de l’objet chaud est transmise, par chocs, à l’objet froid. Ce mode de transfert a lieu principalement entre deux solides en contact. Chaleur latente de fusion et d’ébullition de l’eau Lfusion (eau) = 334 J·g-1 Lébullition (eau) = 2257 J·g-1 Heat Transfer - Conduction Convection : uniquement dans les fluides. Les différences de densité dues aux différences de température provoquent des mouvements macroscopiques dans le fluide. Ces mouvements tendent à homogénéiser la température en mélangeant le fluide froid avec le fluide chaud. 1 g de glace à 0°C → 1 g d’eau liquide à 0 °C : E = 334 J 1 g d’eau liquide à 0 °C → 1 g de glace à 0 °C : E = -334 J 1 g d’eau liquide à 100 °C → 1 g de vapeur à 100 °C : E = 2257 J 1 g de vapeur à 100 °C → 1 g d’eau liquide à 100 °C : E = -2257 J Heat Transfer - Convection Rayonnement : tout corps à une température supérieure à 0 K émet un rayonnement électromagnétique (1ère S, loi de Wien). L’absorption de ces radiations par un autre corps pourra provoquer une élévation de sa température. C’est par ce mode de transfert que le Soleil communique une partie de sa chaleur à la Terre. Heat Transfer - Thermal Radiation -1- TS www.pichegru.net TP P9 : Résistance thermique d’une bouteille Objectif : Déterminer la résistance thermique d’une bouteille (le type de bouteille varie selon les groupes) Démarche : Après avoir rempli la bouteille d’une masse connue d’eau chaude, on suit l’évolution de sa température au cours du temps. On en déduit la variation d’énergie interne de l’eau au cours du temps, puis la puissance thermique dissipée. Grâce à cette puissance thermique, on peut déterminer (au moyen de quelques approximations) la résistance thermique du récipient. Résultats : On trouve des résistances thermiques entre 2 et 10 K·W-1 allant jusqu’à 40 K·W-1 pour un excellent bouteille thermos Exercice 1 . Le sauna Exercice 2 . Transferts d’énergie B Biillaan n één neerrggééttiiqquuee Établir un bilan énergétique faisant intervenir transfert thermique et travail. Extraire et exploiter des informations sur des réalisations ou des projets scientifiques répondant à des problématiques énergétiques contemporaines. Faire un bilan énergétique dans le domaine de l’habitat ou du transport. Argumenter sur des solutions permettant de réaliser des économies d’énergie. Généralités Un bilan d’énergie est un inventaire des différentes énergies qui entrent et/ou qui sortent du système, sous forme de chaleur (Q) ou de travail (W). Remarque : un apport d’énergie électrique est considéré comme un travail car il s’agit du mouvement d’électrons. Comme il y a toujours conservation de l’énergie, on peut écrire : ∆U = ΣWreçus + ΣQreçues – ΣWcédés – ΣQcédées Exemple : moteur thermique Qr Qc moteur Combustion essence Wc Environnement Boîte de vitesse Si le moteur est en régime stationnaire (si sa température n’augmente plus), alors ∆U = 0 et donc Qr – Qc – Wc = 0 Dans le domaine du logement L’isolation thermique des logements est un enjeu important actuellement en Europe. La température intérieure de logements bien isolés sera moins sensible aux variations de température extérieure que celle de logements mal isolés. Heat Transfer - Insulating the home Exercice 3 . Se chauffer avec le numérique -2- 20 janvier 2017