COMPRENDRE : Lois et modèles

Chapitre 14 : Transferts macroscopiques

d’énergie.

I-Energie d’un système.Energie interne U:

Un système matériel possède une énergie que l’on peut décomposer sous 2 formes:

L’énergie mécanique résulte des contributions macroscopiques c’est-à-dire l’énergie cinétique ou potentielle macroscopique (Cf Ch7).

L’énergie interne du système est liée à l’activité microscopique et à l’énergie microscopique cinétique ou potentielle de ses particules élémentaires.

I-Energie d’un système.Variation de l’énergie interne ΔU:

La variation d’énergie interne ΔU d’un système est la conséquence d’échanges d’énergie avec l’extérieur par travail W ou par transfert thermique Q.

Remarque :Par convention, le travail et le transfert thermique sont comptés positivement s’il sont reçus par le système et négativement s’ils sont cédés par le système.

II-Transferts thermiques.Capacité thermique C:

La capacité thermique C d’un système correspond à l’énergie thermique qu’il doit recevoir pour que sa température s’élève de 1 degré Celsius, sans changement d’état. On utilise aussi la capacité thermique massique c qui correspond à l’énergie nécessaire pour élever de 1 degré Celsius par gramme de système.

Lorsque la température d’un corps de masse m, solide ou liquide, passe de Ti à Tf, sa variation d’énergie interne vaut :

Avec :ΔU en joule (J) ; m en kilogramme (kg) ; ΔT en kelvin (K) ou degré Celsius (°C)c est la capacité thermique massique du corps exprimé en (J.kg-1.K-1) ou en (J.kg-1.°C-1).

TP: Proposer et réaliser une manipulation permettant d’évaluer la capacité thermique

massique du fer.

II-Transferts thermiques.Différents modes de transfert d’énergie:

Conduction :Transferts de l’énergie thermique de proche en proche des particules de la région chaude vers la région froide, sans déplacement de matière. (généralement limitée aux solides).Convection :L’agitation thermique se transmet de proche en proche dans la matière et avec déplacement d’ensemble de celle-ci. Uniquement dans les fluides.Rayonnement :Tout corps émet des rayonnement thermiques. L’absorption ou l’émission de rayonnement modifie l’agitation thermique. Ce mode de transfert se fait même dans le vide.

II-Transferts thermiques.Flux et résistance thermique:

Flux thermique :Energie thermique transférée à travers une surface (ex: paroi) par unité de temps. Toujours du plus chaud vers le plus froid. Ce transfert est irréversible.

Résistance thermique Rth :

Pour une paroi, lorsque T1 et T2 sont constants alors le rapport entre la différence de température des 2 faces et le flux thermique s’appelle la résistance thermique :

J

sW

Avec e l’épaisseur de la paroi, S la surface traversée et λ la conductivité thermique qui dépend du matériau en W.m-1.K-1.

K.W-1

III-Bilan d’énergie.Faire un bilan énergétique:

Plusieurs étapes à respecter :

1) Définir le système étudié

2) Répertorier les différents types de transferts énergétiques (travail, chaleur…) entre le système et le milieu extérieur.

3) Repérer par des flèches le sens du transfert. Si le système reçoit de l'énergie, elle sera comptée positivement, si le système fournit de l'énergie elle sera comptée négativement.

III-Bilan d’énergie.Exemple:

Le chauffe-eau solaire est constitué d'un capteur solaire qui convertit le rayonnement du soleil en chaleur. Cette chaleur est communiquée à l'eau d'un circuit primaire. L'eau du circuit primaire est mise en mouvement par une pompe. Elle est envoyée dans le ballon de stockage qui contient de l'eau qui est ainsi réchauffé. Une chaudière électrique fournit également de la chaleur à l'eau froide du ballon dans le cas la chaleur produite par le capteur solaire.Système : capteur solaire

Système : eau du circuit primaire Système : eau du ballon