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Leçon n° 20 : TRANSFERTS D'ENERGIE ENTRE SYSTEMES MACROSCOPIQUES

 

 

1- LE MACROSCOPIQUE ET LE MICROSCOPIQUE


1-1
Le macroscopique

A l'échelle humaine les objets qui nous entourent sont directement visibles. Ils sont à l'échelle dite macroscopique. C'est d'abord à cette échelle que les connaissances humaines de la matière se sont développées.

Par exemple à cette échelle et d'un point de vue énergétique on parle de l'énergie potentielle d'un mobile dans le champ de pesanteur terrestre et de son énergie cinétique dans le référentiel terrestre.


1-2
Le microscopique

Les particules élémentaires, les atomes, les molécules font partie du monde microscopique. Leurs organisations et leurs propriétés sont difficiles à connaître de façon rigoureuse.

Une tête d'épingle, un grain de poussière contient un nombre colossal de particules.

La mole est l'unité internationale de quantité de matière, équivalente à la quantité de matière d'un système contenant autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 0,012 kg de carbone 12.

1 mole d'atomes = (6,022 141 29 0,000 000 27) 10 23 atomes.

1 mole de molécules = (6,022 141 29 0,000 000 27) 10 23 molécules.

On se contentera de retenir le nombre NA = 6,02 x 10 23 / mol appelé constante d'Avogadro (valeur approchée).

 

2- ENERGIE INTERNE D'UN SYSTEME


2-1
Notion de système

a- Système. 

La partie de l'Univers que l'on étudie est appelé système. Le reste de l'univers est appelé milieu extérieur ou environnement.

Le système peut être microscopique (cela signifie que les phénomènes que l'on étudie se passent à l'échelle des atomes, molécules ou ions) ou macroscopique (dans ce cas les phénomènes étudiés concernent un très grand nombre d'atomes, de molécules ou d'ions) à l'échelle de l'homme.

b- Système isolé.

Un système est dit isolé s'il ne peut pas échanger de la matière ou de l'énergie avec le milieu extérieur.

Par exemple, l'eau emplissant une bouteille thermo avec des parois imperméables à la chaleur (pas d'échange d'énergie thermique avec l'extérieur) et de volume invariable (pas d'échange de travail).

c- Système fermé.

Un système est dit fermé s'il ne peut pas échanger de matière avec l'extérieur. Par contre, Il peut échanger de l'énergie avec ce milieu extérieur.

Par exemple, le gaz emprisonné dans un cylindre avec un piston mobile, ne peut pas échanger de matière avec le milieu extérieur mais il peut recevoir du travail lorsqu'une force extérieure pousse le piston vers l'intérieur. Ce gaz peut également échanger de l'énergie thermique avec l'extérieur (gain d'énergie si on expose le système froid au soleil, perte d'énergie si on plonge le système dans de l'eau glacée).

d- Système ouvert.

Un système est dit ouvert s'il peut échanger de la matière et de l'énergie avec le milieu extérieur.

Par exemple un poêle à charbon peut échanger de la matière avec le milieu extérieur (apport de charbon et d'air, perte de gaz carbonique et de fumées formées de fines particules solides). Il peut également échanger de l'énergie avec l'environnement (gain d'énergie chimique stockée dans le mélange C + O2, perte d'énergie thermique vers l'extérieur).


2-2
L'énergie interne U d'un système macroscopique est d'origine microscopique

A un instant donné l'énergie interne U d'un système macroscopique possède plusieurs composantes :

- une composante cinétique due à l'agitation thermique des différentes particules microscopiques. Plus la température est élevée, plus cette énergie cinétique est grande.

- plusieurs composantes potentielles dues aux interactions gravitationnelle, électrique, magnétique, nucléaire des différentes particules microscopiques.

 

3- ENERGIE TOTALE D'UN SYSTEME


Un système donné possède de l'énergie interne U (voir sous paragraphe 2-2) mais peut aussi avoir de l'énergie due à l'existence de l'extérieur : énergie due à la gravitation terrestre, énergie cinétique du système dans le référentiel terrestre. Ces 2 dernières énergies forment l'énergie mécanique Emécanique du système dans le champ terrestre.

L'énergie totale du système étudié est, dans le champ terrestre :

Etotale = Uinterne + Emécanique


4- ETUDE DE QUELQUES CAS PARTICULIERS


Tous les types d'énergie se mesurent en joule (J). On les compte positivement si le système les reçoit et négativement si le système les donne.


4-1
Energie calorifique pour chauffer de l'eau - Capacité thermique massique c - Capacité thermique C = m . c

On veut élever jusqu'à tfinale = 90 °C la température de m = 800 g d'eau prise à tinitial = 10 °C. L'agitation désordonnée des molécules d'eau va augmenter.

En unités internationales, on écrit température finale Tfinale = tfinale + 273 = 90 + 273 = 363 kelvins = 363 K et Tinitiale = tinitiale + 273 = 10 + 273 = 283 kelvins = 283 K

L'énergie interne U de l'eau va augmenter de

U = m . c . T La lettre c désigne la capacité thermique massique de l'eau

Employons les unités internationales :

m = 800 g = 0,800 kg

c = 4180 J / (kg . K)

Tfinale = 363 K

Tinitiale = 283 K

L'augmentation de l'énergie interne de l'eau est :

U = m . c . T = 0,800 x 4180 x (363 - 283)

U = 267 520 joules

U 2,68 x 105 J

Remarque : Le réchaud électrique, lui, aura donné une énergie nettement supérieure à 2,68 x 105 J car l'air, la plaque, la casserole se sont également échauffées.


4-2
Trois transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement

L'eau à 10 °C (283 K) ne blesse pas la peau de notre main car les molécules d'eau ne s'agitent pas vite.

L'eau à 90 °C (263 K) nous blesse la main car le choc des molécules d'eau est devenu violent (molécules rapides).

- Conduction dans les solides : une tige de fer tenue à la main sur une flamme finit par devenir très chaude car les vibrations des atomes de fer deviennent rapides.

- Convection dans les liquides et les gaz : les molécules d'eau du bas de la casserole chauffée s'agitent plus vite et montent en surface car par dilatation la densité de l'eau diminue. Arrivées en surface les molécules ralentissent, la densité de l'eau augmente et les molécules redescendent. Il s'établit un mouvement de convection dans le liquide.

- Rayonnement : Un transfert thermique par rayonnement peut se faire même dans le vide. Les ondes électromagnétiques émises par le Soleil réchauffent la Terre Ces ondes électromagnétiques ont évidemment une masse nulle.

 

4-3 Flux thermique à travers une paroi plane - Résistance thermique

Pendant la durée t une énergie thermique Q traverse la paroi plane depuis la face 1 à la température T1 jusqu'à la face 2 à la température T2 < T1.

Le flux thermique à travers la paroi est égal à l'énergie transférée par unité de temps :

= Q / t  

Q est en joule (J). t est en seconde (s). est en watt (W).

Si T1 et T2 sont des températures constantes ou peut aussi écrire :

= (T1 - T2) / Rth  

Rth est la résistance thermique de la paroi. Elle s'exprime en kelvin / watt (K / W)

La résistance thermique Rth d'une paroi plane dépend de son épaisseur e, de sa surface S et de la conductivité thermique du matériau. On peut écrire :

Rth = e / ( . S)

Rth est en kelvin / watt (K / W)

e est en mètre(m)S est en m2 est en W / (K . m)

Lorsque plusieurs parois planes se succèdent la résistance thermique de l'ensemble est égale à la somme des résistances thermiques des diverses parois.

Remarque 1 : Une paroi de grande résistance thermique est un bon isolant thermique.

Remarque 2 : Au lieu de Rth un fabricant d'isolant donne R = e / qui s'exprime en K . m2 / W.

= (T1 - T2) / R s'exprime alors en W / m2 soit en J / ( s . m2 ) et donne l'énergie transmise par unité de temps et par unité de surface.

 

5- BILAN D'ENERGIE D'UN SYSTEME


Pour établir le bilan d'énergie d'un système il faut :

- Bien définir le système étudié.

- Compter positivement le travail et l'énergie thermique reçus par le système et provenant du milieu extérieur.

- Compter négativement le travail et l'énergie thermique donnés par le système au milieu extérieur.

 

A VOIR :

Exercice 20-A : Connaissances du cours n° 20.

Exercice 20-B :

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