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Transferts d'énergie thermique entre systèmes macroscopiques

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Du macroscopique au microscopique

  • La constante d’Avogadro est le nombre d’atomes présent dans douze gramme de 12C^{12}C. Sa valeur est de 6,02214179.1023 mol16,02214179.10^{23}\ \text{mol}^{-1}

Transferts thermiques

  • Le transfert thermique par convection nécessite un milieu matériel. L’énergie est transportée par des mouvements de matière dans un gaz ou un liquide.
  • Le transfert thermique par conduction nécessite un milieu matériel. L’énergie est transportée de proche en proche, généralement dans un solide, sans déplacement de matière.
  • Le transfert thermique par rayonnement ne nécessite pas de milieu matériel. L’énergie est transportée par des ondes électromagnétiques.
  • Lorsqu’un milieu reçoit de l’énergie thermique, l’agitation des particules augmente : c’est l’agitation thermique.
  • La conduction thermique s’explique par une propagation de proche en proche de l’agitation thermique des particules dans un matériau.
  • La convection thermique s’explique par le déplacement des particules au sein d’un liquide ou d’un gaz.
  • Un transfert thermique est le transfert d’énergie thermique d’une source à une autre, il se transmet spontanément de celui qui a la température la plus élevée à celui qui a la température la moins élevée. C’est un transfert d’énergie irréversible.
  • Le flux thermique Φ\Phi permet d’évaluer la vitesse de ce transfert : Φ=ΔEΔt=QΔt\Phi=\dfrac{\Delta E}{\Delta t}=\dfrac{Q}{\Delta t}
  • le flux thermique dépend de la vitesse du matériau utilisé et de la différence Δt\Delta t entre deux milieux, la relation est la suivante : Φ=ΔTR\Phi = \dfrac{\Delta T}{R}
  • La température en Kelvin est liée à celle en degré Celsius par la relation : T(K)=T(C)+273T(\text{K}) = T(\text{C}) + 273.
  • La résistance thermique d’une paroi dépend du matériau et de son épaisseur.

Transferts énergétiques entre systèmes macroscopiques

  • Un système est l’ensemble des constituants macroscopiques étudiés.
  • L’énergie interne UU est l’énergie qu’un système peut stocker sans modification de mouvement ou d’altitude du système. C’est la somme de toutes les énergies microscopiques liées à sa structure moléculaire et atomique.
  • Ces énergies sont l’énergie cinétique microscopique (l’agitation thermique) et l’énergie potentielle d’interaction entre les particules : ΔU=ΔEp(micro)+ΔEc(micro)\Delta U=\Delta E{p(micro)}+\Delta E{c(micro)}
  • L’énergie cinétique microscopique augmente avec la température.
  • Les énergies potentielles d’interaction dépendent de la distance entre les particules.
  • La capacité thermique CC d’un corps solide ou liquide est l’énergie interne nécessaire pour augmenter sa température d’un degré (°C\degree\text{C} ou K\text{K}).
    Sans changement d’état ou transformation chimique, la variation d’énergie interne ΔU\Delta U est : ΔU=CΔT\Delta U=C \cdot \Delta T
  • La capacité thermique CC dépend de sa masse : C=mcC =m\cdot c.
    On peut donc écrire :ΔU=mcΔT\Delta U=m\cdot c \Delta T

Bilans énergétiques

  • L’énergie totale EtotE_{tot} d’un système est la somme de trois énergies :
  • son énergie cinétique macroscopique EcE_c ;
  • l’énergie interne UU.
  • L’énergie totale ne peut être ni créée ni détruite, s’il y a gain ou perte d’énergie au sein d’un système, elle est cédée ou prise à un autre système.
  • Un système est isolé s’il n’y a pas de transferts d’énergie avec d’autres systèmes. L’énergie totale d’un système isolé se conserve.
  • On ne peut pas mesurer l’énergie totale d’un système, on ne peut mesurer que les variations.
  • La variation d’énergie totale : ΔEtot=W+Q\Delta E_{tot}=W+Q
  • Pour un système immobile, on a : ΔEtot=ΔU=W+Q\Delta E_{tot}=\Delta U =W+Q
  • Pour une machine thermique : ΔU=W+QC+QF=0\Delta U=W+QC+QF=0