1 S - Free

CONSERVATION DE L’ENERGIE
TRANSFERT THERMIQUE
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Objectifs :
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 Savoir que l’énergie reçue par travail peut aussi être « stockée » par un corps dont certaines propriétés
physiques ou chimiques sont modifiées.
 Savoir qu’à l’échelle macroscopique, un transfert thermique se fait spontanément du système dont la
température est la plus élevée, vers celui dont la température est la plus basse.
 Prévoir sur des exemples simples le sens du transfert thermique.
 Savoir que le rayonnement est un mode de transfert de l’énergie.
1. Autres effets du travail d’une force
1.1. Exemple 1 : Lancer une boule de flipper
État 1, état initial : le ressort a sa longueur naturelle, il n’est ni
comprimé, ni allongé.
État 2 : Le joueur tire sur la poignée et comprime le ressort. Cette
opération nécessite une force exercée par le joueur sur la poignée. Le
point d’application de cette force se déplace, donc il y a un certain
travail mis en jeu.
Ce travail permet de transférer de l’énergie au ressort afin de le
déformer.
Lorsque le joueur lâche la poignée, le ressort revient dans son état
initial tandis que la boule est projetée
Aspect énergétique :
Lorsqu’il est dans l’état 2, le ressort possède de l’énergie puisqu’il est
capable de revenir dans l’état 1 et il a la possibilité de mettre la boule en
mouvement.
Le travail fourni par le joueur en tirant la poignée permet d’augmenter
l’énergie stockée dans le ressort, appelée énergie interne, notée U.
U
Wm
0
Lanceur
1.2. Exemple 2 : Compression d’un gaz
Ressort
De l’air est contenu dans une seringue reliée à un pressiomètre.
État initial : le piston de la seringue est en équilibre, le pressiomètre indique pi =………
État 2 : En appuyant sur le piston, on comprime le gaz. La pression de l’air est devenue p2 =………, la
pression a augmentée.
Lorsque l’on relâche le piston, il remonte : le gaz se détend.
Aspect énergétique :
Lorsqu’il est dans l’état 2, le gaz possède de l’énergie puisqu’il est
capable de revenir dans l’état 1 et mettre le piston en mouvement.
Le travail fourni par la personne pour comprimer le gaz permet de lui
transférer de l’énergie et d’augmenter son énergie interne U.
U
Wm
0
Personne
Gaz
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1.3. Exemple 3 : La neige sous les skis
Le travail reçu par la neige, dû aux frottements des skis est à l’origine de la fusion de la glace.
Aspect énergétique :
Lorsque la glace fond, il y a modification des liaisons entre les molécules d’eau. Rigidement liées dans la
glace, les molécules sont libres de se déplacer dans l’eau liquide.
Lors du changement d’état, les interactions microscopiques entre les molécules sont modifiées.
Cette modification a donc augmenté l’énergie cinétique microscopique de l’eau, c'est-à-dire son énergie
interne.
1.4. Définition
Si, en apportant de l’énergie à un système sous forme de travail, on est capable d’observer des effets qui
n’affectent ni le mouvement de son centre d’inertie (pas de variation de son énergie cinétique), ni l’altitude
à laquelle il se trouve (pas de variation de son énergie potentielle de pesanteur), alors on dira que ce système
a accumulé de l’énergie dite "interne" et notée U.
L’énergie interne comprend l’énergie cinétique microscopique (agitation des particules) et l’énergie
potentielle microscopique (interaction entre les particules).
2. Autre mode de transfert de l’énergie : le transfert thermique
2.1. Exemple
Expérience :
Un bécher  contenant de l’eau chaude et un bécher
 contenant de l’eau froide sont placés dans un bloc
de polystyrène.
Une plaque de cuivre plonge dans les deux béchers.
On réalise la même expérience avec une plaque de
bois plongeant dans les deux béchers
On suit à l’aide de capteurs l’évolution de la
température de l’eau dans chaque bécher au cours
du temps.
Thermomètre
Plaque de cuivre
ou plaque de bois
Thermomètre
Bloc de
polystyrène
Eau froide
Eau chaude
Acquisition avec Généris 5 :
Allumer l’ordinateur et ouvrir Généris
Brancher les capteurs sur la console après ouverture de généris
(Vérifier que les capteurs ont 3 calibres et le réglage du zéro si non aller dans Atelier scientifique, gestion des
adaptateurs.)
Température en ordonnée et temps en abscisse
Régler le zéro avec eau + glace, calibre 0,1000
Durée de l’acquisition 900 s, nombre de points 101 ou plus. Acquisition, surtout pas en continu
Observation :
La température de l’eau chaude diminue alors que celle de l’eau froide augmente. Lorsque la plaque est en
bois, les variations de température sont plus faibles que lorsque la plaque est en cuivre.
T, T1, T2, T3 (°C)
60
Transfert thermique par conduction
55
50
courbe 3
45
40
35
30
courbe 1
Plaque de cuivre
courbe 1 : eau chaude
courbe 2 : eau froide
Plaque de bois
courbe 3 : eau chaude
courbe 4 : eau froide
25
courbe 2
20
courbe 4
15
10
5
t (min)
2
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4
6
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8
10
12
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Interprétation :
Lorsque la température de l’eau augmente, l’agitation des molécules augmente donc l’énergie interne de
l’eau augmente.
Lorsque la température de l’eau diminue, l’agitation des molécules diminue, donc l’énergie interne de l’eau
diminue.
L’eau froide a reçu de l’énergie, l’eau chaude a perdue de l’énergie, il y a donc transfert thermique de l’eau
chaude vers l’eau froide.
Ce transfert est favorisé par la présence de la plaque métallique.
Le polystyrène est un bon isolant thermique.
2.2. Sens du transfert thermique
Le transfert thermique s’effectue spontanément du système dont la température est la plus élevée vers le
système dont la température est la plus basse.
L’énergie reçue par transfert thermique est notée Q.
Diagramme d’énergie :
Bécher 
Bécher 
Ui
Uf
Uf
Q
Q
Ui
Plaque métallique
Eau
Eau
Lorsque tout le système est à la même température et qu’elle n’évolue plus, on dit qu’il y a équilibre
thermique. A ce moment là, le transfert thermique est nul.
2.3. Conduction thermique (Tige de laiton avec bouchon et bougie)
À l’échelle microscopique, le transfert thermique s’explique par la propagation, de proche en proche, de
l’agitation des atomes ou molécules : ce phénomène porte le nom de conduction thermique.
Les métaux sont de bons conducteurs thermiques, l’air, le polystyrène expansé sont de mauvais
conducteurs.
Remarque : Il existe un autre mode de transfert thermique. Spirale en papier au dessus de la bougie
Lorsqu’un pièce contient un radiateur à circulation d’eau chaude, l’air se réchauffe au contact du radiateur et
s’élève, il se crée une circulation d’air dans la pièce : c’est la convection (phénomène propre aux fluides)
3. Transfert d’énergie par rayonnement
Expérience :
Un bécher noir et un bécher argenté sont placés à coté d’une puissante lampe.
On relève la température à l’intérieur de chaque bécher et on constate qu’elle augmente davantage dans le
bécher noir que dans le bécher argenté.
La lampe transfert donc de l’énergie par l’intermédiaire des rayons qu’elle émet.
Interprétation :
Tout corps, du fait de sa température, rayonne : il émet des ondes électromagnétiques qui transportent de
l’énergie.
Ce mode de transfert est le seul qui peut se propager dans le vide.
Cette émission s’accompagne d’un refroidissement du corps émetteur.
Le rayonnement est d’autant plus important que le corps est chaud.
L’absorption des ondes s’accompagne d’une élévation de température, cette absorption est d’autant plus
importante que la couleur du corps est foncée.
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4. Conclusion
Un système peut recevoir de l’énergie autrement qu’avec un transfert par travail mécanique Wm.
Les autres modes de transfert de l’énergie sont :
Le transfert thermique Q (par conduction) ;
Le rayonnement électromagnétique R ;
Le transfert électrique We (voir chapitre suivant)
On appelle E l’énergie totale d’un système. E  Ec  Epp  U .
 ) avec Fext
 les forces autres que
On a vu que EcB  EcA  WAB (Fext )  EcB  EcA  WAB (P)  WAB (Fext
le poids.
 )  EcB  EcA  mgzB  mgz A  WAB (Fext
 )
Ce qui peut s’écrire EcB  EcA  mg(zA  zB )  WAB (Fext
 )
Or mgzA  EppA et mgzB  EppB donc EcB  EcA  EppB  EppA  WAB (Fext
 )
soit EcB  EppB  (EcA  EppA )  WAB (Fext
La variation d’énergie interne UB  UA  QAB  R AB donc
 )  QAB  R AB
EcB  EppB  UB  (EcA  EppA  UA )  WAB (Fext
Lorsque le système échange de l’énergie avec l’extérieur, sa variation d’énergie est telle que :
EB  EA  WmAB (Fext )  QAB  R AB . Dans ce cas le poids n’est pas considéré comme une force extérieure.
Principe de conservation de l’énergie :
A tout système dans un état donné, on peut associer une grandeur appelée « énergie ». Si l’énergie du
système augmente ou diminue, c’est qu’il a reçu ou cédé de l’énergie, que ce soit sous la forme de travail,
de transfert thermique ou de rayonnement.
Ex 16, 19, 21, 22, 24 p 141 à 143
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Ex 5 et 6 p 140 ( mc )
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CONSERVATION DE L’ENERGIE
TRANSFERT THERMIQUE
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Matériel :
1.2. Compression d’un gaz
Une seringue (libre) reliée à un pressiomètre
2. Transfert thermique
2 boites avec les 2 béchers dans un bloc de polystyrène
1 plaque métallique reliant les deux béchers et 1 plaque en bois
4 capteurs de température + ordinateur Généris 5 pour acquisition de la température au cours du temps
De l’eau froide
De l’eau chaude
Tige de laiton avec les bouchons et la bougie
Allumettes
1 spirale en papier pour la convection + 1 bougie
3. Transfert d’énergie par rayonnement
1 lampe puissante
2 thermomètres
1 récipient noir
1 récipient argenté
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