Transfert d`énergie entre systèmes macroscopiques I - leprof

Chap. B9
Transfert d’énergie entre systèmes macroscopiques
I. Du macroscopique au microscopique
1- Notion d’échelle
La matière est constituée d’entités élémentaires très petites (atomes, ions molécules), le comportement
individuel de chaque entité au niveau microscopique est inaccessible, mais on peut prévoir un
comportement statistique (justifié compte tenu du nombre important d’entités) et un comportement
global macroscopique à l’échelle humaine.
Le lien entre ces deux échelle est possible en utilisant une constante représentant une quantité définie
d’entité : la constante d’Avogadro, qui par définition est égal au nombre d’atomes présents dans 12,0g
de carbone 12, sa valeur est NA = 6,02214179.1023 mol-1, on utilisera NA = 6,022.1023 mol-1
La masse d’un atome de fer 56
26 Fe est de :
-27
261,673.10 +(56-26)1,675.10-27+269,109.10-31=9,377.10-26 kg ; dans un clou de 1g il y a donc
1,0.10 3
1,0664.10 22
22
N=
=
1,1.10
atomes
soit
n
=
= 1,8.10-2 mol = 0,018 mol
 26
23
9,377.10
6,022.10
2- Le mouvement Brownien
Le mouvement brownien est le nom donné aux mouvements
aléatoires des petites particules solides sous l'impact des molécules
d'un fluide (liquide ou gaz).
Les entités chimiques (atomes, molécules ou ions), présentes dans un
fluide (liquide ou gaz), sont en mouvements rapides, incessants et
désordonnés.
Elles vont donc être amenées à se heurter ; la fréquence des chocs est
très élevée : dans les conditions usuelles, le nombre de chocs subis
par une molécule d'un gaz, pendant une seconde, est de l'ordre du
milliard (109).
Entre deux chocs successifs, leur trajectoire est rectiligne.
Lorsqu’on apporte de l’énergie au milieu, l’agitation et la vitesse des
particules augmentent, c’est l’agitation thermique. L'absence
d'agitation thermique correspond au zéro absolu.
3- Visualiser les atomes
Le microscope optique permet d’observer les cellules vivantes, mais pour observer à l’échelle de la
molécule ou de l’atome, il faut attendre 1981 et l’invention du microscope à effet tunnel par Binnig et
Rohrer et 1986 et le microscope à force atomique inventé par Binnig, Quate et Berger. Ces
microscopes donnent une image de synthèse de la surface d’un matériau à l’échelle atomique
II. Energie interne et capacité thermique
1- Notion de système
Un système macroscopique est un ensemble d’entités microscopiques limité par une surface fermée,
qui peut permettre des échanges avec le milieu extérieur.
2- Energie interne
L’énergie interne U d’un système macroscopique est la somme de toutes les énergies microscopiques
des constituants du système.
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Il y a l’énergie cinétique microscopique, liée à l’agitation thermique des entités du système.
Et les énergies potentielles d’interaction (gravitationnelle, électromagnétique, forte et faible) qui
dépendent de la distance entre les entités, comme par exemple :
Ep d’interaction
Physique ou latente
Chimique
Nucléaire
Entités
Molécules ou atomes
Atomes liés
Nucléons
Interaction
électromagnétique
électromagnétique
forte et faible
Intervient pour
Changement d’état Transformation chimique Transformation nucléaire
3- Capacité thermique
La capacité thermique C d’un corps pur condensé (solide ou liquide) correspond à l’énergie interne
nécessaire pour augmenter sa température de 1°C ou 1 K
En l’absence de changement d’état, la variation d’énergie interne d’un système est proportionnelle à la
variation de température
U = C  T = m  c  T
U : Variation d’énergie interne en joule (J)
C : capacité thermique en joule par kelvin (J.K-1) ou joule par degré (J.°C-1)
T : variation de température en kelvin (K) ou degré Celsius (°C)
m : masse en kilogramme (kg)
c : capacité thermique massique en joule par kelvin par kilogramme (J.K-1.kg-1)
ou joule par degré par kilogramme (J.°C-1.kg-1)
III. Transferts thermiques
1- Les différents types de transfert
a) Par conduction
Le transfert thermique par conduction s’effectue dans un milieu matériel, principalement un solide ;
l’énergie est transportée de proche en proche, sans déplacement de matière.
b) Par convection
Le transfert thermique par convection s’effectue dans un milieu matériel, un fluide (gaz ou liquide) par
déplacement de matière au sein du fluide de la zone chaude vers la zone froide.
c) Par rayonnement
Le transfert thermique par rayonnement ne nécessite pas de milieu matériel car les ondes
électromagnétiques qui transportent l’énergie rayonnée peuvent se propager dans le vide (le soleil
chauffe la Terre après avoir traversé le vide)
2- Flux thermique
Un transfert thermique s’effectue spontanément de la source chaude vers la source froide, c’est un
transfert d’énergie irréversible, le transfert cesse lorsque les deux sources sont à la même température,
c’est l’équilibre thermique.
La puissance thermique ou flux thermique caractérise la vitesse de transfert thermique, par définition
Q E
=
=
t t
Q ou E en J, t en s et  en W
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3- Résistance thermique
Pour une paroi plane de surface S et d’épaisseur e, constituée d’un
matériaux de conductivité thermique , le flux est d’autant plus important
que la différence de température est grande entre les deux faces, que
l’épaisseur du matériaux est petite, que sa surface est grande et que le
matériaux conduit bien la chaleur.
Ce qui donne comme définition du flux thermique dans ce cas :
S
S
 =  (T1 – T2) =  T
e
e
-1 -1
 en W,T en K, S en m², e en m, donc  en W.m .K
e
La relation (TA – TB) =
 ressemble à la loi d’Ohm en électricité UAB = R.I. Par analogie on définit
S
e

le terme
= Rth comme la résistance thermique du matériau, en K.W-1.  =
R th
S
S’il y a plusieurs parois, on ajoute les différentes résistances thermiques.
IV. Bilans d’énergie
1- Méthode et définition
Pour effectuer un bilan d’énergie, il faut définir le système.
Un système est dit isolé s’il n’effectue aucun transfert d’énergie avec le milieu extérieur.
Il faut ensuite déterminer la nature de tous les transferts d’énergie entre le système et le milieu
extérieur, en attribuant une valeur positive quand le système reçoit de l’énergie et négative s’il cède de
l’énergie.
L’énergie totale d’un système est la somme de l’énergie cinétique, de l’énergie potentielle de pesanteur
et de l’énergie interne du système : EC,macro + EPP + U
Mais on ne peut pas mesurer l’énergie d’un système, on peut juste mesurer les variations d’énergie
comme étant la somme des travaux et des transferts thermiques échangés avec le milieu extérieur.
Etotale = W + Q
Pour un système immobile (au repos) Etotale = U = W + Q
2- Machines thermiques
Elles permettent la transformation de chaleur en travail
(moteur) ou l’inverse (récepteur)
Un moteur thermique fournit un travail mécanique, en
recevant de la chaleur de la part d’un corps chaud, en
restituant une partie de la chaleur est cédée au milieu
extérieur.
U = -W + QC - Qf
Une pompe à chaleur ou un système réfrigérant, reçoit un travail électrique pour prendre de l’énergie à
un corps froid et donner de la chaleur à un corps chaud.
U = W - QC + Qf
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