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Energie, matière et rayonnement
Séquence 5.1 : Transferts macroscopiques d’énergie (chapitre 14 du livre)
I.
Du microscopique au macroscopique
Activité documentaire 1 : Hachette p 350
1. Deux descriptions de la matière
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’homme.
Le lien entre ces deux niveaux peut s’effectuer en utilisant la constante d’Avogadro, NA, représentant le
nombre d’entités contenues dans une mole.
2. Ordres de grandeur
L’ordre de grandeur d’un nombre est la puissance de 10 la plus proche de ce nombre.
3. Images microscopiques
Activité documentaire 2 : « Voir l’infiniment petit »
Les microscopes à effet tunnel (1981) ou les microscopes à force atomique (1986) permettent d’obtenir
une image de synthèse de la surface d’un matériau, élaborée par un ordinateur, et renseignant sur la
disposition des atomes au niveau de cette surface.
II.
Energie de systèmes macroscopiques
Etude documentaire : Hachette p 351 « Energies microscopiques »
1. Energie interne
L’énergie d’un système se décompose en :

Energies microscopiques :
o
Energies cinétiques des particules composant le système, qui sont en mouvement du fait
de leur agitation thermique.
o
Energies potentielles d’interactions électromagnétiques entre atomes (liaisons au sein de
molécules), entre ions (cohésion d’u n cristal ionique) ou entre molécules (liaisons
hydrogène).

Energies macroscopiques
o
Energie cinétique du système s’il est en mouvement
o
Energies potentielles du système en interaction avec son environnement
L’énergie interne U, en joules (J), est une grandeur macroscopique définie comme la somme des énergies
microscopiques des entités constituant le système étudié.
1
Energie, matière et rayonnement
Séquence 5.1 : Transferts macroscopiques d’énergie (chapitre 14 du livre)
2. Variation d’énergie interne d’un système.
L’énergie cinétique microscopique est liée à l’agitation thermique désordonnée des entités du

système. Cette énergie augmente avec la température du système

Les énergies potentielles d’interactions dépendent de la distance entre les entités. Plus les entités
s’éloignent, plus la contribution de l’énergie potentielle d’interaction à l’énergie interne diminue.
3. Capacité thermique et énergie interne
Un matériau peut stocker de l’énergie sous forme d’énergie interne U et restituer ensuite cette énergie.
Cette capacité dépend de sa structure microscopique.
La capacité thermique C d’un corps condensé (c'est-à-dire solide ou liquide) correspond à l’énergie interne
nécessaire pour augmenter sa température de 1 °Celsius
En l’absence de changement d’état ou de transformation chimique, la variation d’énergie interne U d’un
corps condensé est proportionnelle à la variation de la température T = Tf -Ti
∆𝑈 = 𝐶.T = C.(Tf-Ti)
ou U = m.c.T
Avec :
U : variation d’énergie interne du corps en joule
T : variation de température du corps en kelvin (K) ou en degré Celsius (°C)
Tf : température finale
Ti température initiale
C : capacité thermique du corps en joule par Kelvin (J.K-1) ou en joule par degré Celsius (J.°C-1)
c : capacité thermique massique en joule par kilogramme par kelvin (J.kg-1.K-1) ou en joule par
kilogramme par degré Celsius (J.kg-1.°C-1)
m : masse du corps en kilogramme.
III.
Comment s’effectue les transferts thermiques
1.
Différents modes de transferts
2
Energie, matière et rayonnement
Séquence 5.1 : Transferts macroscopiques d’énergie (chapitre 14 du livre)
Un transfert thermique s’effectue suivant plusieurs modes :
-Par conduction : l’agitation thermique se transmet de proche en proche dans la matière,
mais sans déplacement d’ensemble de celle-ci. Elle se produit principalement dans les solides.
-Par convection : l’agitation thermique se transmet de proche en proche dans la matière et
avec déplacement d’ensemble de celle-ci. Elle se produit dans les fluides.
-Par rayonnement : l’absorption ou l’émission de rayonnement modifie l’agitation thermique.
Ce mode de transfert s’effectue même dans le vide.
2. Transfert thermique à travers une paroi plane
a) Notion de flux thermique
Le flux thermique est l’énergie Q transférée à travers une paroi par unité de temps. On l’appelle aussi
puissance thermique. Ce transfert se fait spontanément de la source chaude vers la source froide : il est
naturellement irréversible.
𝜑=
Avec :
𝑄
∆𝑡
 flux thermique en watt (W)
Q : énergie thermique transférée en joule (J)
t : durée du transfert en seconde (s)
Remarque : une habitation est bien isolée si les matériaux qui la constituent assurent un faible flux
thermique, permettant ainsi de ralentir les transferts thermiques vers
l’extérieur.
b) Résistance thermique d’une paroi plane
La résistance thermique d’un corps traduit sa capacité à s’opposer au
transfert thermique.
Soit une paroi plane dont les deux faces sont à des températures T1 et T2,
avec T1 >T2. Le flux thermique qui la traverse est .
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Energie, matière et rayonnement
Séquence 5.1 : Transferts macroscopiques d’énergie (chapitre 14 du livre)
La résistance thermique R de cette paroi est définie par : 𝑅 =
-1
-1
𝑇1 −𝑇2
𝜑
R s’exprime en K.W ou en °C.W , T1 -T2 en K ou en °C et  en W
IV.
Comment établir un bilan d’énergie ?
Activité documentaire 5 p 354
Pour établir un bilan énergétique, il faut :
-définir le système macroscopique étudié
-relever la nature des transferts énergétiques (par travail ou par transfert thermique) entre ce
système et l’extérieur
-repérer le sens de ces transferts et leur attribuer un signe positif si le système reçoit de
l’énergie ou négatif s’il en perd.
Notion de rendement :
Lorsque l’étude porte sur un convertisseur d’énergie, le bilan est conclu par un calcul de rendement,
entre 0 et 1, souvent exprimé en pourcentage.
Rendement =
é𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓é𝑟é𝑒
é𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑟𝑒ç𝑢𝑒 𝑝𝑎𝑟 𝑙𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑠𝑠𝑒𝑢𝑟
Exemples : rendements d’appareils
dispositif
Eolienne
Cellule photovoltaïque
Réfrigérateur
Chauffe-eau
Lampe à incandescence
Turbine hydraulique
4
Rendement
< 59 %
20 %
40 %
90 %
5%
90 %