cours

Transferts macroscopiques d’énergie
• Compétences
• - Extraire et exploiter des informations sur un dispositif expérimental
permettant de visualiser les atomes et les molécules.
• - Evaluer les ordres de grandeurs relatifs aux domaines microscopique et
macroscopique.
• - Savoir que l’énergie interne d’un système 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.
• - Etablir un bilan énergétique faisant intervenir transfert thermique et
travail.
L’approche microscopique (nanoscopique) décrit le …
L’approche macroscopique ne s’intéresse qu’au …
Le lien entre ces deux niveaux peut s’effectuer en utilisant …
Doc. 2 :
Ions Cu2+
Mole d’ions Cu2+
Masse (g)
1,05  10–22
63,5
Charge (C)
3,2  10–19
1,9  105
 NA
1. COMMENT PASSER DU MACROSCOPIQUE AU MICROSCOPIQUE
1.1 Constante d’Avogadro
-La matière est constituée d'un nombre d'entités (atomes, ions ou molécules) trop important
pour permettre l'application simple des lois de la mécanique à l'échelle microscopique.
- Si le comportement individuel de chaque entité est inaccessible, leur comportement
collectif peut cependant être décrit grâce à des grandeurs physiques macroscopiques
mesurables à l'échelle humaine, comme la température, le volume ou la pression.
- On passe du microscopique au macroscopique grâce à la constante d’Avogadro
NA = 6,02.1023 mol-1
1.2 Dispositifs de visualisation d’atome et de molécules
Les domaines d’observation en microscopie
Figures 59: Les dimensions de quelques structures du vivant et les domaines d’observation
Atomes de tungstène au AFM
Le microscope à force atomique
2. Energie totale d’un système
L’énergie totale E TOT d’un système physique se décompose en :
• Energies microscopiques (U)
•- Les énergies cinétiques des particules composant le système, qui sont en
mouvement du fait de leur agitation thermique liée à la température ;
•- Les énergies potentielles d’interaction entre atomes, ions, molécules …
• Energies macroscopiques (Em)
•- L’énergie cinétique du système s’il est en mouvement ;
•- Les énergies potentielles (de pesanteur, électrique, élastique).
E totale = U + E méca
U = Ec (microscopique) + Ep (microscopique)
Variation de l’énergie interne U
Dans la pratique, seule est mesurée la variation d’énergie interne ΔU. Elle ne dépend
que de l’état initial et de l’état final du système. BCette variation est la conséquence
d’échanges
d’énergies du système avec l’extérieur,
sous forme de travail W
ou par transfert thermique Q.
S’il y a conservation de l’énergie du système :
ΔU = W + Q
(On appelle cette égalité
le 1er principe de la thermodynamique)
Dans le cas où le système étudié n’interagit pas
avec son environnement (système isolé), son énergie interne reste constante : ΔU = 0
Par convention, W et Q sont POSITIFS s’ils sont reçus par le système et NEGATIFS s’ils sont
cédés par le système.
3. Transferts thermiques
L’existence d’une différence de température entre deux systèmes ou au sein d’un
système engendre un transfert spontané d’énergie, sous forme thermique (chaleur) de
la partie la plus chaude vers la partie la plus froide.
Le (ou les) système(s) tend(ent) vers l’équilibre thermique.
Les transferts thermiques induisent de l’irréversibilité : le système évolue vers un état
final sans pouvoir revenir à son état initial.
Ex : encre diffusée dans l’eau
3.1.Modes de transfert thermique
La conduction thermique
Doc. 8 : Les
différents modes de
transferts thermiques.
L’agitation thermique se transmet de …
2ème mode : par convection
La convection est un transfert porté par un mouvement de
matière. Elle ne se produit que dans les fluides (gaz, liquides).
Le fluide chauffé, et donc dilaté, s’élève à la verticale de
la source entraînant un appel de fluide à la base de la
source chaude. Le fluide est ainsi brassé.
Contrairement à la conduction, il y a un déplacement
(macroscopique) de matière.
3ème mode : par rayonnement
Un transfert par rayonnement est généré par l’émission ou l’absorption
d’un rayonnement électromagnétique.
Ce mode de transfert est le seul à pouvoir s’effectuer dans le
vide.
3.2.Energie interne et température
On considère un système solide ou liquide qui n’échange de l’énergie que par transfert
thermique sans changer d’état physique.
Lorsqu’un corps de masse m, liquide ou solide, passe d’une température initiale TI à une
température finale TF, sa variation d’énergie interne ΔU a pour expression :
La grandeur c est appelée « capacité thermique massique » du solide ou du liquide en
question.
Elle représente l’énergie qu’il faut fournir pour augmenter de 1 K la température d’un
kilogramme de ce solide ou liquide.
3.3..Exemple du transfert thermique à travers une paroi plane.
La compréhension microscopique des phénomènes
observés au niveau
macroscopique permet, par exemple, d’agir au
niveau des pertes thermiques d’une
habitation en cherchant à la minimiser.
Chaque matériau est caractérisé par une résistance
thermique (Rth) qui traduit sa capacité propre à
s’opposer au transfert thermique.
Il est alors possible d’évaluer la rapidité du transfert
thermique selon la différence de température entre
les deux faces du matériau :
NB : Dans tous les cas, le transfert thermique de chaleur se fait toujours de la source
chaude vers la
source froide et de façon spontanée et irréversible.
Rq : * Plus la résistance thermique du matériau est élevée, plus le flux thermique est
faible, moins il y a de déperdition de chaleur. Le matériau constitue dans ce cas un bon
isolant thermique.
Pour une paroi plane, la résistance thermique dépend de :
- son épaisseur e
- sa surface S
- sa conductivité thermique λ(qui est associée à la nature du matériau)
Lorsque plusieurs parois sont accolées, la
résistance thermique équivalente est égale à la
somme des résistances thermiques.
4. Bilans énergétiques
Pour établir un bilan énergétique, on doit :
• Définir le système macroscopique étudié.
• Déterminer la nature des transferts énergétiques (Travail W ou chaleur Q)
entre le système et l’extérieur.
• Déterminer le sens de ces transferts : l’énergie reçue par le système est
comptée positivement, et celle cédée, négativement.
• Représenter ces transferts par une chaîne énergétique et conclure sur
l’efficacité de la transformation en déterminant généralement un rendement (en
%) noté ρ(êta)
. si le système est au repos : _Em = 0 donc : ΔU = ΣW + ΣQ.
. si le système est en mouvement : _Em ≠ 0 donc : ΔU = ΣW + ΣQ – _Em.
5) Etablir un bilan d’énergie
SOLEIL
CAPTEUR
SOLAIRE
Circuit
primaire.
Eau du circuit
primaire
EXTERIEUR
EAU du BALLON
Doc. 12 : Principe de fonctionnement d’un chauffe-eau solaire et chaine
énergétique du circuit primaire.