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 N A = 6,02 x 10 23 mol - 1

Applica,on 1:

7.2. TRANSFERTS THERMIQUES

Transfert thermique (transfert de chaleur) du corps chaud vers le corps froid phénomène : spontané irréversible

TP calorimétrie : Exemple:

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. (R tot = R 1 + R 2 + R 3 + +R n )

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 T 1 =20 C. Au bout de quelques minutes, la résistance chauffante du bain- marie permet d obtenir ce même volume d eau à une température T 2 =64 C. Calculer la varia,on de l énergie interne de ce volume d eau. Données: C eau =4,18x10 3 J.kg - 1.K - 1 ; ρ eau =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 2,2x10 2 kj. Quelle est la température finale de la pièce? Données: C huile =2,0x10 3 J.kg - 1.K - 1 ; ρ eau =1,00 kg.l - 1, d huile =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: C eau =4,18x10 3 J.kg - 1.K - 1 ; ρ eau =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:

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: C eau =4,18x10 3 J.kg - 1.K - 1