Le transfert thermique

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Classe(s) : 1re STI2D | Thème(s) : L'énergie interne

Le transfert thermique est un mode de transfert d’énergie, il s’exprime en joule (J).

A Définitions

Il y a transfert thermique :

à chaque fois que l’on met en contact 2 corps ayant des températures différentes ;

lorsqu’un fluide en mouvement se déplace autour d’un corps ;

lorsqu’un corps reçoit ou émet un rayonnement.

On note Q l’énergie échangée par transfert thermique.

Le transfert thermique se réalise spontanément du corps ayant la température la plus élevée vers le corps ayant la température la plus faible. Pour un système :

si Q > 0, le système reçoit de l’énergie : son énergie interne et sa température augmentent ;

si Q < 0, le système cède de l’énergie : son énergie interne et sa température diminuent.

B Les modes de transfert thermique

aLa conduction

La conduction thermique est le phénomène qui permet d’avoir une température homogène au sein d’un corps. La conduction se produit par la transmission de proche en proche de l’agitation thermique entre molécules ou atomes, que ce soit pour un solide, un liquide ou un gaz.

bLa convection

La convection correspond à un transfert d’énergie thermique assuré par le mouvement des particules d’un liquide ou d’un gaz. Ceci se réalise si le liquide ou le gaz est en mouvement.

Dans un chauffage central, l’eau chaude transfère de l’énergie thermique au radiateur lors de son déplacement dans le réseau.

cLe rayonnement

Le rayonnement permet le transfert thermique par propagation d’ondes électromagnétiques. Les ondes électromagnétiques se propagent aussi dans le vide, donc le transfert thermique par rayonnement peut se produire dans le vide et de nombreux milieux.

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C La capacité thermique massique c

La capacité thermique massique c d’un corps pur s’exprime en joule par kilogramme et par kelvin (J.kg–1.K–1) ou en joule par kilogramme et degré Celsius (J.kg–1.°C–1). C’est l’énergie qu’il faut apporter à un kilogramme d’un corps pur pour faire augmenter sa température d’un kelvin ou d’un degré Celsius. Voici quelques valeurs numériques :

Remarque 

La capacité thermique des métaux est faible. Il faut leur apporter peu d’énergie pour faire augmenter leur température.

Tableau de 7 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 7 lignes ;Ligne 1 : Corps pur; Capacité thermique massique (J.kg–1.°C–1); Ligne 2 : Fer; 4,50 × 102; Ligne 3 : Cuivre; 3,80 × 102; Ligne 4 : Aluminium; 9,00 × 102; Ligne 5 : Eau; 4,18 × 103; Ligne 6 : Éthanol; 2,42 × 103; Ligne 7 : Air; 1,00 × 103;

Le transfert d’énergie est de nature thermique, il y aura donc variation de l’énergie interne U du système. Cette variation sera bien proportionnelle à la variation de température du système.

Image dont le contenu est 	m : masse (kg)∆U = Q = m × c × (θf – θi)	c : capacité thermique massique c (J.kg–1.°C–1)	(θf – θi) : différence de température entre la température finale θf et la température initiale θi (températures en degré Celsius °C); Fin de l'image

D L’énergie massique de changement d’état

Le transfert d’énergie thermique peut se faire sans variation de température dans le cas d’un corps pur. La variation de l’énergie interne U est proportionnelle à la masse m changeant d’état.

Image dont le contenu est 	m : masse (kg)∆U = Q = m × L	c : capacité thermique massique c (J.kg–1.°C–1)	L : énergie massique de changement d’état (J.kg–1); Fin de l'image

Remarque

L est positive lorsque le système devient moins ordonné (solide → liquide, liquide → gaz) et négative dans le cas contraire.

E Le bilan d’une enceinte en régime stationnaire

Pour étudier les transferts thermiques au laboratoire, on utilise des enceintes calorifugées pour éviter les pertes avec le milieu extérieur. Un système placé dans une telle enceinte ne peut pas échanger d’énergie avec le milieu extérieur, il est isolé.

Ainsi, lorsqu’une enceinte est isolée, elle n’échange pas d’énergie avec le milieu extérieur. Son énergie interne U est donc constante.

Les valeurs des transferts thermiques qui se déroulent à l’intérieur de l’enceinte se compensent.

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