Transfert d’énergie entre systèmes macroscopiques Chapitre B9 Transfert d’énergie entre systèmes macroscopiques

I. Du macroscopique au microscopique 1- Notion d’échelle La matière est constituée d’entités élémentaires très petites (atomes, ions molécules), le comportement individuel de chaque entité au niveau microscopique est inaccessible, mais on peut prévoir un comportement statistique (justifié compte tenu du nombre important d’entités) et un comportement global macroscopique à l’échelle humaine. Le lien entre ces deux échelle est possible en utilisant une constante représentant une quantité définie d’entité : la constante d’Avogadro . Il est égal au nombre d’atomes présents dans 12,0 g de carbone 12, sa valeur est NA = 6,02214179.1023 mol-1 2- Le mouvement Brownien Le mouvement brownien est le nom donné aux mouvements aléatoires des petites particules solides sous l'impact des molécules d'un fluide Entre deux chocs successifs, leur trajectoire est rectiligne. Lorsqu’on apporte de l’énergie au milieu, l’agitation et la vitesse des particules augmentent, c’est l’agitation thermique. L'absence d'agitation thermique correspond au zéro absolu. Plus d’agitation en a qu’en b 3- Visualiser les atomes Ta > Tb Le microscope optique permet d’observer les cellules vivantes pour observer à l’échelle de la molécule ou de l’atome il faut attendre 1981 et l’invention du microscope à effet tunnel par Binnig et Rohrer 1986 et le microscope à force atomique inventé par Binnig, Quate et Berger. Ces microscopes donnent une image de synthèse de la surface d’un matériau à l’échelle atomique

II. Energie interne et capacité thermique 1- Notion de système Un système macroscopique est un ensemble d’entités microscopiques limité par une surface fermée, qui peut permettre des échanges avec le milieu extérieur. 2- Energie interne L’énergie interne U d’un système macroscopique est la somme de toutes les énergies microscopiques des constituants du système. Il y a l’énergie cinétique microscopique, liée à l’agitation thermique des entités du système. Et les énergies potentielles d’interaction (gravitationnelle, électromagnétique, forte et faible) qui dépendent de la distance entre les entités, Ep d’interaction Physique ou latente Chimique Nucléaire Entités Molécules ou atomes Atomes liés Nucléons Interaction électromagnétique forte et faible Intervient pour Changement d’état Transformation chimique Transformation nucléaire 3- Capacité thermique La capacité thermique C d’un corps pur condensé (solide ou liquide) correspond à l’énergie interne nécessaire pour augmenter sa température de 1°C ou 1 K U = C  T = m  c  T U : Variation d’énergie interne en joule (J) C : capacité thermique en joule par kelvin (J.K-1) ou joule par degré (J.°C-1) T : variation de température en kelvin (K) ou degré Celsius (°C) m : masse en kilogramme (kg) c : capacité thermique massique en joule par kelvin par kilogramme (J.K-1.kg-1) ou joule par degré par kilogramme (J.°C-1.kg-1)

III. Transferts thermiques 1- Les différents types de transfert a) Par conduction Il s’effectue dans un milieu matériel, principalement un solide  l’énergie est transportée de proche en proche, sans déplacement de matière. b) Par convection Il s’effectue dans un milieu matériel, un fluide (gaz ou liquide) par déplacement de matière au sein du fluide de la zone chaude vers la zone froide. b) Par rayonnement Il ne nécessite pas de milieu matériel car les ondes électromagnétiques qui transportent l’énergie rayonnée peuvent se propager dans le vide (le soleil chauffe la Terre après avoir traversé le vide) 2- Flux thermique Un transfert thermique s’effectue spontanément de la source chaude vers la source froide c’est un transfert d’énergie irréversible le transfert cesse lorsque les deux sources sont à la même température, c’est l’équilibre thermique. La puissance thermique ou flux thermique caractérise la vitesse de transfert thermique, par définition Q ou E en J, t en s et  en W

3- Résistance thermique Pour une paroi plane de surface S et d’épaisseur e, constituée d’un matériaux de conductivité thermique  le flux est d’autant plus important que la différence de température est grande entre les deux faces que l’épaisseur du matériaux est petite que sa surface est grande que le matériaux conduit bien la chaleur. Ce qui donne comme définition du flux thermique dans ce cas :  en W,T en K, S en m², e en m, donc  en W.m-1.K-1 La relation (TA – TB) = ressemble à la loi d’Ohm en électricité UAB = R.I. Par analogie on définit le terme comme la résistance thermique du matériau, en K.W-1. S’il y a plusieurs parois, on ajoute les différentes résistances thermiques.

IV. Bilans d’énergie 1- Méthode et définition Pour effectuer un bilan d’énergie, il faut définir le système. Un système est dit isolé s’il n’effectue aucun transfert d’énergie avec le milieu extérieur. Il faut ensuite déterminer la nature de tous les transferts d’énergie entre le système et le milieu extérieur en attribuant une valeur positive quand le système reçoit de l’énergie et négative s’il cède de l’énergie. L’énergie totale d’un système est la somme de l’énergie cinétique, de l’énergie potentielle de pesanteur et de l’énergie interne du système : EC,macro + EPP + U Mais on ne peut pas mesurer l’énergie d’un système on peut juste mesurer les variations d’énergie comme étant la somme des travaux et des transferts thermiques échangés avec le milieu extérieur. Etotale = W + Q Pour un système immobile (au repos) Etotale = U = W + Q

2- Machines thermiques U = -W + QC - Qf U = W - QC + Qf Elles permettent la transformation de chaleur en travail (moteur) ou l’inverse (récepteur) Un moteur thermique fournit un travail mécanique, en recevant de la chaleur de la part d’un corps chaud, en restituant une partie de la chaleur est cédée au milieu extérieur. U = -W + QC - Qf Une pompe à chaleur ou un système réfrigérant, reçoit un travail électrique pour prendre de l’énergie à un corps froid et donner de la chaleur à un corps chaud. U = W - QC + Qf