TS-Cours P04 Transferts d`énergie

TS
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20 janvier 2017
P4 : Transfert d’énergie
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Plan du chapitre
Transferts thermiques
Définitions
Modes de transferts thermiques
Énergie interne
Augmentation de température d’un système condensé
Bilan énergétique
Généralités
Dans le domaine du logement
Savoir que l’énergie interne d’un système macroscopique résulte de
contributions microscopiques.
Connaître et exploiter la relation entre variation d’énergie interne et la
variation de température d’un corps dans un état condensé.
Dans un système fermé, il n’y a aucun échange de matière avec
l’extérieur.
L’énergie interne U d’un système fermé est la somme des énergies
microscopiques cinétiques de ses particules (agitation des atomes) et des
énergies potentielles d’interaction (énergie de liaison entre atomes,
molécules, ions, au sein des noyaux et énergie de masse).
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miiqquueess
L’énergie interne est très difficle à quantifier dans sa globalité : on ne
s’intéresse qu’à ses variations ∆U.
Exploiter la relation entre le flux thermique à travers une paroi plane et
l’écart de température entre ses deux faces.
Interpréter les transferts thermiques dans la matière à l’échelle
microscopique.
Augmentation de température d’un système
condensé
Aspect microscopique de la température : L’énergie thermique
accumulée par un corps est due à l’agitation des atomes ou molécules qui
le composent.
Un système condensé est un système composé exclusivement de solides
et/ou de liquides.
Lorsqu’un système condensé est chauffé sans changement d’état, son
énergie interne augmente :
What is Temperature?
∆U = C· ∆T
Définitions
C est sa capacité thermique ou calorifique (en J·K-1).
Transfert thermique : échange de chaleur d’un corps chaud vers un corps
froid. Cet échange spontané ne se fait que dans le sens chaud → froid. Il
est irréversible. Il se fait jusqu’à équilibre des températures.
C est souvent exprimé par le produit m· c ou m est la masse du système
considéré est c est sa capacité calorifique massique, en J·kg-1·K-1 (unité
S.I).
Flux thermique Pth : puissance (en W) de l’échange d’énergie Q (en J)
entre les 2 corps. Comme toujours, la puissance est l’énergie échangée par
unité de temps.
Q
Pth =
∆t
Remarque : la capacité calorifique massique n’est pas toujours exprimée
en unité S.I. Il faudra donc y faire attention.
On rappelle qu’une augmentation de x kelvins est égale à une
augmentation de x °C.
Exemple : Augmentation de température de l’eau
L’eau a une capacité calorifique massique de 4,2 J·g-1·K-1.
Relation entre énergie et puissance
Considérons 1 L d’eau que l’on souhaite faire passer de 20 °C à 80 °C.
De manière générale, il faut se rappeler qu’une puissance est un « débit »
d’énergie. Une puissance de 1 W correspond à un échange d’énergie de 1 J
chaque seconde.
C vaut ici 4,2×1000 = 4,2 kJ·K-1, car 1 L d’eau pèse environ 1000 g et une
augmentation de 60 °C est également une augmentation de 60 K. Donc ∆U
= 4,2×60 = 252 kJ.
Résistance thermique Rth : facteur de proportionnalité entre la différence
de température ∆T = TC – TF (≥ 0) entre les deux corps et le flux thermique
Pth.
Signes de échanges d’énergie
Comme toujours, on utilise la convention dite convention du banquier :
• une énergie perdue par le système est comptée négativement.
• une énergie gagnée par le système est compté positivement.
∆T = Rth·Pth
La résistance thermique Rth (en K·W-1) d’une paroi a pour expression :
Rth =
e
λ⋅S
λ : conductivité thermique en W·m-1·K-1
e : épaisseur de la paroi en m
S : surface de la paroi en m2
ère
Rappel de 1
S
Lorsqu’un corps pur change d’état, sa température reste constante au cours
de la totalité du changement d’état.
Remarquer la similitude avec la loi d’Ohm U = R· I : U est une différence
de potentiel provoquant un flux de charge I de même que ∆T est une
différence de température provoquant un flux d’énergie thermique Pth.
L’énergie échangée au cours de ce changement d’état dépend de la masse
de corps pur considérée m et de la chaleur latente L de ce corps pur pour le
changement d’état considéré (liquéfaction-solidification ou ébullitioncondensation).
Modes de transferts thermiques
E = m· L
Conduction : transfert de proche en proche. L’agitation des atomes de
l’objet chaud est transmise, par chocs, à l’objet froid. Ce mode de transfert
a lieu principalement entre deux solides en contact.
Chaleur latente de fusion et d’ébullition de l’eau
Lfusion (eau) = 334 J·g-1
Lébullition (eau) = 2257 J·g-1
Heat Transfer - Conduction
Convection : uniquement dans les fluides. Les différences de densité dues
aux différences de température provoquent des mouvements macroscopiques dans le fluide. Ces mouvements tendent à homogénéiser la
température en mélangeant le fluide froid avec le fluide chaud.
1 g de glace à 0°C → 1 g d’eau liquide à 0 °C : E = 334 J
1 g d’eau liquide à 0 °C → 1 g de glace à 0 °C : E = -334 J
1 g d’eau liquide à 100 °C → 1 g de vapeur à 100 °C : E = 2257 J
1 g de vapeur à 100 °C → 1 g d’eau liquide à 100 °C : E = -2257 J
Heat Transfer - Convection
Rayonnement : tout corps à une température supérieure à 0 K émet un
rayonnement électromagnétique (1ère S, loi de Wien). L’absorption de ces
radiations par un autre corps pourra provoquer une élévation de sa
température. C’est par ce mode de transfert que le Soleil communique une
partie de sa chaleur à la Terre.
Heat Transfer - Thermal Radiation
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TP P9 : Résistance thermique d’une bouteille
Objectif : Déterminer la résistance thermique d’une bouteille (le type de
bouteille varie selon les groupes)
Démarche : Après avoir rempli la bouteille d’une masse connue d’eau
chaude, on suit l’évolution de sa température au cours du temps. On en
déduit la variation d’énergie interne de l’eau au cours du temps, puis la
puissance thermique dissipée. Grâce à cette puissance thermique, on peut
déterminer (au moyen de quelques approximations) la résistance thermique
du récipient.
Résultats : On trouve des résistances thermiques entre 2 et 10 K·W-1
allant jusqu’à 40 K·W-1 pour un excellent bouteille thermos
Exercice 1 . Le sauna
Exercice 2 . Transferts d’énergie
B
Biillaan
n één
neerrggééttiiqquuee
Établir un bilan énergétique faisant intervenir transfert thermique et
travail.
Extraire et exploiter des informations sur des réalisations ou des projets
scientifiques
répondant
à
des
problématiques
énergétiques
contemporaines.
Faire un bilan énergétique dans le domaine de l’habitat ou du
transport.
Argumenter sur des solutions permettant de réaliser des économies
d’énergie.
Généralités
Un bilan d’énergie est un inventaire des différentes énergies qui entrent
et/ou qui sortent du système, sous forme de chaleur (Q) ou de travail (W).
Remarque : un apport d’énergie électrique est considéré comme un travail
car il s’agit du mouvement d’électrons.
Comme il y a toujours conservation de l’énergie, on peut écrire :
∆U = ΣWreçus + ΣQreçues – ΣWcédés – ΣQcédées
Exemple : moteur thermique
Qr
Qc
moteur
Combustion
essence
Wc Environnement
Boîte de vitesse
Si le moteur est en régime stationnaire (si sa température n’augmente
plus), alors ∆U = 0 et donc Qr – Qc – Wc = 0
Dans le domaine du logement
L’isolation thermique des logements est un enjeu important actuellement
en Europe. La température intérieure de logements bien isolés sera moins
sensible aux variations de température extérieure que celle de logements
mal isolés.
Heat Transfer - Insulating the home
Exercice 3 . Se chauffer avec le numérique
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