Les transferts d’énergie thermique Chapitre 15 : Les transferts d’énergie thermique Les objectifs de connaissance : Calculer l’énergie échangée au cours d’un transfert thermique ; Calculer une énergie de changement d’état ; Calculer une énergie massique de changement d’état ; Connaître les principaux effets d’un transfert thermique sur la matière. Les objectifs de savoir-faire : Mesurer une énergie de changement d’état  ; Interpréter à l’échelle microscopique les aspects énergétiques d’une variation de température et d’un changement d’état. Thème : COMPRENDRE Domaine : Cohésion et transformation de la matière

Voir TP n°17 : « Énergie et changements d’état » 1. Les changements d’état Définition : Le changement d’état physique d’un corps est une transformation physique au cours de laquelle le corps passe d’un état physique à un autre : Remarques : À pression constante, le changement d’état d’un corps pur se fait à température constante ; À la température de changement d’état, les deux états physiques peuvent coexister.

2. Les transferts d’énergie thermique 2.1. Définitions L'expérience montre que lorsqu'on met en présence deux corps pris à des températures différentes, au bout d'un certain temps, leur température finit par devenir la même. Le corps chaud a donné de l'énergie thermique (ou énergie sous forme de chaleur) au corps froid.

Ce transfert thermique peut avoir pour conséquence : Une variation de température des corps : la température du corps froid augmente, celle du corps chaud diminue ; Un changement d’état physique du corps sans variation de sa température. Définitions : Transfert thermique = un échange d’énergie sous forme de chaleur entre deux corps ayant des températures différentes. L’énergie échangée au cours d’un transfert thermique se note Q (ou E), et s’exprime, dans le système international d’unité, en joule (symbole : J). La capacité thermique (ou capacité calorifique) est l'énergie qu'il faut apporter à un corps pour augmenter sa température de un kelvin. Elle se note C et s'exprime en joule par kelvin (symbole : J.K1). Capacité thermique massique (ou chaleur spécifique) = quantité d'énergie à apporter (par échange thermique) pour élever de un kelvin la température d’un corps de un kilogramme. Elle se note c et s’exprime en joule par kilogramme-kelvin (symbole : J.kg–1.K–1) :

Capacité thermique molaire Cm = quantité d'énergie à apporter par échange thermique pour élever de un kelvin la température d'une mole d'un corps. Elle se note Cm et s’exprime en joule par mole.kelvin (symbole : J.mol–1.K–1) : Au cours d’un transfert thermique, l’énergie Q mise en jeu pour faire varier la température de  d’un corps de masse m est :

Remarques : La capacité thermique C s’exprime aussi en joule par degré Celsius (symbole : J.°C–1) : Par convention, l’énergie échangée est une grandeur algébrique : L’énergie reçue par un système du milieu extérieur est positive ; L’énergie cédée au milieu extérieur par un système est négative. 2.2. Énergie de changement d’état

Dans le cas où se produit un changement d'état, on peut déterminer, par calorimétrie, l’énergie massique de changement d'état, notée L. (Voir TP) Définitions : Énergie de changement d’état = énergie qu’il faut apporter ou retirer par transfert thermique à un corps (ayant atteint sa température de changement d’état) pour qu’il effectue un changement d’état physique. Elle se note L et s’exprime, dans le système international d’unités, en joule par kilogramme (symbole : J.kg–1). Elle est caractéristique d’un corps. À pression constante, l’énergie de changement d’état Q d’un corps est le produit de la masse m du corps par l’énergie massique de changement d’état L :

En résumé :

Lfusion =  Lsolidification Lvaporisation =  Lliquéfaction Remarques : L’énergie massique de changement d’état est aussi appelée « chaleur latente de changement d’état » ; Certains changements d’état nécessite un apport d’énergie : on parle de transformation endothermique ; Certains changements d’état libèrent de l’énergie : on parle de transformation exothermique ; L’énergie massique de changement d’état est caractéristique d’un corps et dépend du changement d’état : Lfusion =  Lsolidification Lvaporisation =  Lliquéfaction Lsublimation =  Lcondensation L’énergie molaire de changement d’état Lm, est l’énergie reçue ou cédée par une mole du corps pur lors d’un changement d’état :

Effet d’un transfert thermique (M = masse molaire du corps, en g.mol–1) 3. Interprétation microscopique L'énergie thermique est l'énergie cinétique (= énergie que possède un corps du fait de son mouvement) d'agitation microscopique d'un objet, qui est due à une agitation désordonnée de ses molécules et de ses atomes. La température est donc une mesure indirecte du degré d'agitation microscopique des particules. Ainsi, à l’échelle microscopique, un transfert thermique a les effets suivants sur un corps pur : Corps pur Effet d’un transfert thermique Solide Augmentation du mouvement de vibration des particules Liquide Augmentation du mouvement désordonné des particules Gaz Augmentation de la vitesse des particules  Lorsque les températures deux corps sont égales, le transfert thermique cesse : ils ont atteint la température d’équilibre thermique.

A RETENIR : Lors d’un changement d’état, l’énergie gagnée ou perdue par le corps correspond à une modification de l’intensité des interactions entre les particules (Van der Waals et/ou liaisons hydrogène) ; Plus les interactions entre les particules sont fortes, plus les températures de changement d’état sont élevées. Remarque : Il existe trois modes principaux de transfert thermique. La conduction : c’est le mode de transfert qui apparaît toujours dans un fluide ou un solide dés qu’il y a un gradient de température. Il s’agit d’un transfert thermique de proche en proche par chocs microscopiques entre particules d’énergie différente, les particules les plus énergétiques transmettant de l’énergie cinétique à celles qui en ont moins ; Exemple : un métal que l’on chauffe à l’une de ses extrémités. La convection : c’est un mode de transfert observable dans un fluide en mouvement. Il est donc lié à un transfert de masse macroscopique ; Exemple : de l’eau que l’on fait chauffer.

Le rayonnement : contrairement aux deux précédents, ce mode de transfert d’énergie ne nécessite pas de milieu matériel. Le transport se fait par des ondes électromagnétiques : le corps chaud émet des photons, donc une onde qui est absorbée par le corps froid qui s’échauffe. Exemple : chauffage de la Terre par la lumière du Soleil.