chapitre 8 : transferts thermiques

Lycée La Martinière Monplaisir – 1ère STI2D – 2020-2021

Thème : Énergie Chapitre 8 – Transferts thermiques de l’énergie – Cours condensé

Chapitre 8 : Transferts thermiques

I. La température

1. Température et unités Deux unités sont couramment utilisées pour exprimer la température : le degré Celsius noté °C et le Kelvin noté K. L’échelle de degrés Celsius est relative : elle possède des valeurs positives, nulles, ou négatives. L’échelle de Kelvins est absolue : elle possède des valeurs positives ou nulle. Le Kelvin est une des 7 unités de base du Système International. Grandeur Unité Échelle Utilisation principale Température, q Degré Celsius, °C Relative

Basée sur les températures d’ébullition et de fusion de l’eau

Vie courante, en Europe

Température, T Kelvin, K Absolue Basée sur le zéro absolu

Scientifique, unité de base S.I.

Pour convertir q (°C) en T (K), on utilise : T = q + 273,15

À des températures très basses, à partir de -120°C et en dessous, certains matériaux perdent leur résistance, et deviennent supraconducteurs : il ne perdent plus d’énergie par effet Joule = ne chauffent pas quand ils sont traversés par de fortes intensités. La supraconductivité est utilisée en imagerie médicale (IRM), ou encore dans les accélérateurs de particules comme au CERN, nécéssitant des courants très élevés circulant à l’intérieur de bobines de grande taille, afin de créer des champs magnétiques très puissants. Pour en savoir plus, voir les vidéos du CEA – Esprit Sorcier – La supraconductivité : https://www.cea.fr/comprendre/Pages/matiere-univers/essentiel-sur-supraconductivite-et-applications.aspx



2. Mesure de température Une mesure de température s’effectue à l’aide d’un thermomètre. (Voir Activité expérimentale). Il existe différents types de thermomètres.

• Les thermomètres à liquide Le liquide contenu dans le thermomètre se dilate plus ou moins en fonction de la température. On peut lire la température sur une échelle graduée en fonction de la hauteur de liquide dans le thermomètre. Les premiers thermomètres utilisaient ce principe, et le liquide utilisé était du mercure (très toxique), maintenant remplacé par de l’alcool.

• Les thermomètres à rayonnement infrarouge Un capteur mesure la quantité de rayonnement infrarouge émis par les matériaux, et peut convertir la mesure en température. Ce dispositif est utilisé dans les caméras thermiques, afin de cibler les pertes thermiques des habitations par exemple, ou chez le docteur.

Ne fonctionne pas bien avec les matériaux réfléchissants ou transparents.

• Les thermomètres électriques Les thermomètres électriques sont étalonnés pour faire correspondre des variations de tension en variation de température. Les variations de tension peuvent provenir de 2 types de capteurs : - La thermistance, est un dipôle électrique dont la résistance varie en fonction de la température, entraînant une variation de tension. Avantage à Très grande précision Inconvénient à Peut mesurer une gamme limitée de températures (au maximum 300°C). à La résistance ne varie pas toujours linéairement par rapport à la température. - Le thermocouple, est composé de 2 fils d’alliages métalliques différents, soudés l’un à l’autre. Une variation de température créé une variation de tension mesurable entre les extrémités des fils. Avantage à Peut mesurer une large gamme de températures Inconvénient à Peu précis (0,1°C pour les plus précis)



II. Énergie interne d’un système

1. Agitation interne La température (aspect macroscopique) d’un corps est liée à l’agitation thermique (aspect miscroscopique) des entités chimiques (atomes, molécules, ions) qui le constituent. Plus la température augmente, plus l’agitation thermique est grande, et vice-versa. Petite animation sur les états de la matière pour illustrer l’agitation thermique de l’eau en fonction de la température : https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter/latest/states-of-matter_fr.html

2. Énergies microscopiques L’énergie interne d’un système, notée U, provient des contributions d’origine microscopique :

• L’énergie cinétique microscopique est liée à la vitesse moyenne des entités chimiques qui constituent le système. Chaque entité chimique a sa propre trajectoire et vitesse : le mouvement d’ensemble est désordonné.

• L’énergie potentielle d’interaction microscopique est liée aux forces d’interaction s’exerçant entre les entités chimiques qui constituent le système. Dans le Système International, les énergies s’expriment en Joules (J).

À la température de 0 K, l’agitation interne de la matière devient nulle. Au niveau microscopique, les entités deviennent immobiles.

Macroscopique Microscopique



3. Capacité thermique massique d’un corps changeant de température Lorsqu’un corps échange de l’énergie avec l’extérieur, son énergie interne varie. On définit la capacité thermique massique d’un corps (liquide ou solide), comme l’énergie nécessaire pour augmenter la température de 1 K pour 1 kg de ce corps. La capacité thermique massique notée c s’exprime en J.K-1.kg-1. Grâce à la capacité thermique massique, on peut calculer l’énergie reçue ou fournie par un corps sous forme de transfert thermique :

Q = m x c x (Tf – Ti) = DU Q, Transfert thermique reçu (Q>0) ou fourni (Q<0) par le système en J m, Masse du système, en kg c, Capacité thermique massique du système, en J.K-1.kg-1 Tf et Ti, Températures finale et initiale du système, en K ou °C DU = Variation d’énergie interne du système en J La capacité thermique massique dépend de la nature du corps.

4. Énergie massique d’un corps changeant d’état Lorsque la température d’un corps augmente ou diminue, il peut changer d’état :

Différents changements d’état d’un corps

Lors du changement d’état d’un corps pur (dont les entités chimiques sont identiques), sa température reste constante, mais son énergie interne varie, par transferts thermiques avec l’extérieur. On définit l’énergie massique de changement d’état d’un corps comme l’énergie nécessaire pour le changement d’état d’1 kg de ce corps. L’énergie massique de changement de l’état 1 à 2 notée L1à2 s’exprime en J.kg-1. Elle permet de calculer l’énergie reçue ou fournie par un corps pur lors de son changement d’état.

Q = m x L1à2 = DU Q, Énergie reçue (Q>0) ou fournie (Q<0) par le corps pur en J m, Masse de corps pur changeant d’état en kg L1à2, Énergie massique de changement d’état en J.kg-1 DU = Variation d’énergie interne du corps pur en J



L’énergie massique de changement d’état dépend de la nature du corps pur.

III. Modes de transferts thermiques Un transfert thermique s’effectue toujours du système dont la température est la plus élevée, vers le système dont la température est plus basse. Il existe 3 modes de transferts thermiques.

1. La conduction Lors d’un transfert thermique par conduction, les entités transmettent leur agitation interne de proche en proche, sous forme de vibration. L’énergie est transférée sans déplacement de matière.

2. La convection Le transfert thermique par convection s’observe dans les fluides (liquides et gaz). Lors du changement de température hétérogène dans un fluide, les zones de fluide avec une température plus élevée (moins denses) se déplacent vers le haut, tandis que les zones de fluide avec une température plus basse (plus denses) se déplacent vers le bas. On voit ainsi l’apparition de cellules de convection, mouvements cycliques de matière au sein du fluide.

3. Le rayonnement Le rayonnement est un mode de transfert thermique par émission d’ondes électromagnétiques, dont les longueurs d’ondes appartiennent principalement au domaine des infrarouges.

Rayonnement (pertes thermiques) d’une maison, mis en évidence par une caméra thermique

Variation d’énergie

interne DU

Variation de température

Changement d’état

due a

due a

Capacité thermique massique c en J.K-1.kg-1

Q = m x c x (Tf – Ti) = DU

Énergie massique de changement d’état L1à2 en J.kg-1

Q = m x L1à2 = DU

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