L 3 : Transferts thermiques d`énergie
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Transferts thermiques d’énergie Du macroscopique au microscopique 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, la pression. Le nombre d’entités par mole d’entités est une constante universelle, appelée Constante d’Avogadro et notée : NA = 6,02.1023 mol-1 Un système macroscopique est une portion d’espace limitée par une surface contenant la matière étudiée. Il est constitué d’un grand nombre d’atomes ou de molécules, assimilés à des points matériels. Tout ce qui n’appartient pas au système macroscopique est dit extérieur au système. L’ensemble système+extérieur constitue donc tout l’Univers. Dans ce chapitre, nous étudierons uniquement les systèmes macroscopiques qui n’échangent pas de matière avec l’extérieur. Ces systèmes sont dits fermés. Energie interne d’un système Energie interne On appelle énergie interne d'un système la somme des énergies cinétiques microscopiques des particules et des énergies d'interaction entre celles-ci, elle résulte de contributions microscopiques. Variation d’énergie interne Lorsqu’un système condensé, c’est-à-dire à l’état liquide ou solide, évolue d’un état initial à un état final, la variation ΔU de son énergie interne est proportionnelle à la variation de sa température ΔT entre l’état final et l’état initial. ΔU = C.ΔT = C.(Tf – Ti) avec ΔU en Joule (J) , ΔT en Kelvin (K) et C : capacité thermique en J.K-1 La capacité thermique C d’un système caractérise sa capacité à stocker ou à céder de l’énergie interne. Plus C est élevée plus ΔU peut être importante. On utilise souvent la capacité thermique massique c = en J.kg-1.K-1 on a alors : ΔU = m.c.ΔT = m.c.(Tf – Ti) Transferts thermiques On note Q la quantité d'énergie mise en jeu dans un tel transfert. Un transfert thermique peut provoquer une variation de la température d'un corps et en modifier son énergie interne. Un transfert thermique peut provoquer un changement d'état d'un corps et modifier son énergie interne. Un transfert thermique entre deux corps s'effectue toujours du corps chaud vers le corps froid. Si le contact dur suffisamment longtemps, les deux corps finissent par être à la même température : ils sont alors en équilibre thermique. La conduction est un mode de transfert thermique qui s'effectue sans transport de matière. La convection est un mode de transfert thermique qui s'effectue avec un transport de matière. Le transfert thermique par rayonnement est généré par l’absorption ou l’émission d’un rayonnement électromagnétique. Flux thermique Les transferts thermiques entre les systèmes ne sont pas instantanés : ils évoluent en fonction du temps. Définition Le flux thermique Φ caractérise la vitesse du transfert thermique Q, pendant une durée Δt, au sein d’un système ou entre différents systèmes : Φ = avec Q en J, Δt en s et Φ en W Cas d’une paroi plane La capacité d’un matériau à transférer l’énergie thermique est donnée pas sa conductivité thermique λ : un bon conducteur thermique est caractérisé par une valeur de λ élevée, un bon isolant par une valeur faible. A travers une paroi plane d’aire S et d’épaisseur e, constituée d’un matériau de conductivité thermique λ, le flux thermique s’écrit : Φ = (T1- T2) = ΔT λ en W.m-1.K-1 , S en m² , e en m, T en K et Φ en W Par analogie avec la loi d’ohm (UAB = R.I) , on définit la résistance thermique ΔT = Rth . Φ : Rth = en K.W-1 Une paroi de grande résistance thermique est un bon isolant thermique. Lorsque plusieurs parois sont accolées, la résistance thermique totale est égale à la somme des résistances thermiques de chaque paroi. Bilan d’énergie L’énergie totale E, d’un système est la somme de son énergie interne U, d’origine microscopique, et de son énergie mécanique Em d’origine macroscopique : E = U + Em Pour établir le bilan énergétique d’un système, on epxrime la variation ΔE de l’énergie totale en fonction du transfert thermique Q et du transfert W dû aux travaux échangés avec l’extérieur, autres que ceux des forces conservatives : ΔE = ΔU + ΔEm = Q + W Par convention tout ce qui est reçu par le système est compté positivement, et négativement ce qui est perdu (échange vers l’extérieur).
