Les transferts d’énergie thermique

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1 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

2 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.

3 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.

4 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) :

5 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 :

6 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

7 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 :

8 En résumé :

9 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 :

10 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.

11 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.

12 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.

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