Chapitre 7. Transferts thermiques

Chapitre 7. Transferts thermiques 7.1. DU MICROSCOPIQUE AU MACROSCOPIQUE Les deux descrip,ons possibles de la ma,ère •  L’approche microscopique •  L’approche macroscopique L’approche microscopique: •  décrit le comportement d’un système à par,r du comportement de chacune de ces par,cules (atomes ou molécules) L’approche macroscopique •  s’intéresse au comportement du système étudié à une échelle accessible à l’être humain •  Le lien entre les deux approches : la constante d’Avogadro •  Le nombre d’en,tés dans une mole •  NA = 6,02 x 1023 mol-‐1 Applica,on 1: 7.2. TRANSFERTS THERMIQUES Transfert thermique (transfert de chaleur) •  du corps chaud vers le corps froid •  phénomène : –  spontané –  irréversible Exemple: •  TP calorimétrie : Flux thermique (puissance thermique) •  la chaleur échangée entre un corps chaud et un corps froid par unité de temps Transfert thermique à travers une paroi •  corps chaud séparé par une paroi d’un corps froid •  ﬂux thermique (puissance thermique) à travers la paroi: Applica,on 2: Le chauﬀage de l’habitat (Ac,vité documentaire 4, p.213) Observa,on: •  Un bon isolant a donc une forte résistance thermique. •  La résistance totale de plusieurs parois accolées est la somme des résistances thermiques de chaque paroi. (Rtot = R1 + R2 + R3 + …+Rn) Modes de transfert thermique •  Transferts thermiques par conduc,on Ø  transfert thermique par contact sans transport de ma,ère Ø  les cons,tuants du matériau communiquent à leurs voisins leur agita,on thermique ( collisions), tout en restant globalement à la même place •  Transferts thermiques par convec,on Ø  transfert thermique fait suite à un mouvement de ma,ère •  Transferts thermiques par rayonnement Ø l’énergie est transportée par des ondes électromagné,ques Ø ce transport n’a pas besoin de milieu matériel Ex.1: modes de transfert thermique •  Quel est le mode de transfert thermique principal entre la personne et le milieu extérieur dans les ﬁgures ci-‐dessous ? Ex.2: transferts thermiques dans une piscine •  En été par beau temps, l’eau d’une piscine est à la température de25°C. La température de l’air est de 30°C et celle du sol qui entoure la piscine est de 17°C. Décrire tous les transferts thermiques qui ont lieu entre la piscine et le milieu extérieur (parois, air, baigneurs) 7.3. ENERGIE INTERNE •  On appelle : ü système thermodynamique – un échan,llon de ma,ère contenant un très grand nombre de par,cules (échan,llon macroscopique) ü milieu extérieur -‐ tout le reste de l’espace Ex.3: énergie d’un système thermodynamique 1-‐ Doc.4 : Sous quelle forme (travail ou transfert thermique) fournit de l’énergie l’archer à l’arc pour le déformer ? Sous quelle forme est-‐elle stockée ? 2-‐Qu’est-‐ce qui est modiﬁé au niveau microscopique lorsque l’arc est déformé ? Ceee modiﬁca,on correspond à une varia,on d’énergie microscopique. S’agit-‐il d’énergie poten,elle ou ciné,que ? 3-‐ Doc. 5: Lorsque l’on chauﬀe un aliment dans un four à micro-‐ondes, l’agita,on des molécules d’eau augmente. Ceee modiﬁca,on correspond-‐elle à une varia,on d’énergie poten,elle ou ciné,que ? 4-‐ Doc.6: A quelle forme d’énergie microscopique est dû l’échauﬀement de la météorite ? 5-‐ Doc.7: Que fournit le Soleil à la sculpture de glace pour la faire fondre ? 6-‐ Qu’est-‐ce qui est modiﬁé au niveau microscopique lorsque la structure fond ? Energie d’un système thermodynamique (E) Energie mécanique Em (macroscopique) : •  ciné,que (Ec) •  poten,elle (Ep) + Energie interne U: -‐  ciné,que microscopique -‐  poten,elle d’interac,on entre les par,cules E = Ec + Ep + U L’énergie interne d’un système thermodynamique (U) •  résulte des contribu,ons microscopiques •  elle est égale à la somme de l’énergie ciné,que microscopique et de l’énergie poten,elle d’interac,on entre les par,cules •  pour un corps de masse m dans un état condensé (solide ou liquide): Ex.4: varia,on de l’énergie interne d’un bain-‐
marie Un bain-‐marie u,lisé en chimie con,ent 1,7 L d’eau ini,alement à une température T1=20°C. Au bout de quelques minutes, la résistance chauﬀante du bain-‐marie permet d’obtenir ce même volume d’eau à une température T2=64°C. Calculer la varia,on de l’énergie interne de ce volume d’eau . •  Données: Ceau=4,18x103 J.kg-‐1.K-‐1; ρeau=1,00 kg.L-‐1 Ex.5: radiateur à bain d’huile Dans un radiateur à bain d’huile, des conducteurs omhiques chauﬀent l’huile qu’il con,ent. En refroidissant, ceee huile transfère de l’énergie thermique à la pièce dans laquelle se trouve le radiateur. On considère un radiateur contenant 5,0 L d’huile portée à une température de 50°C. On coupe l’alimenta,on du radiateur. Au bout d’un certain temps, l’huile est à la température de la pièce. L’énergie thermique transférée pendant ceee période est de 2,2x102 kJ. Quelle est la température ﬁnale de la pièce ? •  Données: Chuile=2,0x103 J.kg-‐1.K-‐1; ρeau=1,00 kg.L-‐1, dhuile=0,81 7.4. BILANS D’ÉNERGIE Ex.6: les transferts d’énergie dans un réfrigérateur 1-‐ Le « frigorigène » reçoit ou cède du travail au compresseur ? 2-‐ Préciser pour chacun des changements d’état (étapes 2 et 4) si le frigorigène reçoit ou donné de l’énergie au milieu extérieur. 3-‐ Pour l’étape 2, quel est le principal mode de transfert thermique entre l’agent frigorigène et l’extérieur ? Dans quel sens s’eﬀectue ce transfert ? 4-‐ Pour l’étape 4, montrer que la température de l’intérieur du réfrigérateur peut être abaissée. 5-‐ Si, au cours d’un cycle, le transfert thermique réalisé entre le système et 4,1 L d’eau liquide vaut 4,75 kJ, de combien de degrés la température de ceee eau peut-‐elle baisser ? •  Données pour l’eau liquide: Ceau=4,18x103 J.kg-‐1.K-‐1; ρeau=1,00 kg.L-‐1 •  la varia,on d’énergie interne ΔU d’un système thermodynamique dont l’énergie mécanique est constante est la conséquence d’échanges d’énergie avec le milieu extérieur: –  par travail (W) –  par transfert thermique (Q) •  W et Q sont comptés posi,vement s’ils sont reçus par le système thermodynamique et néga,vement s’il sont cédés au milieu extérieur •  Pour établir un bilan d’énergie, il faut: –  déﬁnir le système thermodynamique étudié –  repérer les modes de transfert d’énergie et leur aﬀecter un signe « + » si le système reçoit de l’énergie et « -‐ » s’il en cède au milieu extérieur Exemple: Exemple: Ex.7: faire un bilan d’énergie Ex.8: four à micro-‐ondes Dans un four micro-‐ondes, les ondes émises par le magnétron sont absorbées par les molécules d’eau des aliments, soit directement, soit après réﬂexion sur les parois de la cavité. Cela provoque une oscilla,on de ces molécules d’eau qui entraîne une augmenta,on de la température des aliments. Les par,es solides ou n’absorbant pas les micro-‐ondes chauﬀent au contact des par,es chauﬀées directement par ces ondes. 1-‐ Quel sont les modes de transfert thermique principalement mis en jeu lors du chauﬀage d’un aliment avec un four à micro-‐ondes ? 2-‐ Avec un four de puissance 750 W, on chauﬀe 500 g d’eau liquide. En 1 min 30 s, la température de l’eau varie de 18,2°C à 40,8°C. a-‐ Calculer la varia,on d’énergie interne de l’eau liquide b-‐ Calculer l’énergie consommée par le four au cours de son fonc,onnement. c-‐ Calculer le rendement de conversion du four. •  Donnée: Ceau=4,18x103 J.kg-‐1.K-‐1