Fiche de révision : Transferts d'énergie thermique entre systèmes macroscopiques

Du macroscopique au microscopique

• La constante d’Avogadro est le nombre d’atomes présent dans douze gramme de $^{12}C$. Sa valeur est de $6,02214179.10^{23}\ \text{mol}^{-1}$

Transferts thermiques

• Le transfert thermique par convection nécessite un milieu matériel. L’énergie est transportée par des mouvements de matière dans un gaz ou un liquide.
• Le transfert thermique par conduction nécessite un milieu matériel. L’énergie est transportée de proche en proche, généralement dans un solide, sans déplacement de matière.
• Le transfert thermique par rayonnement ne nécessite pas de milieu matériel. L’énergie est transportée par des ondes électromagnétiques.
• Lorsqu’un milieu reçoit de l’énergie thermique, l’agitation des particules augmente : c’est l’agitation thermique.
• La conduction thermique s’explique par une propagation de proche en proche de l’agitation thermique des particules dans un matériau.
• La convection thermique s’explique par le déplacement des particules au sein d’un liquide ou d’un gaz.
• Un transfert thermique est le transfert d’énergie thermique d’une source à une autre, il se transmet spontanément de celui qui a la température la plus élevée à celui qui a la température la moins élevée. C’est un transfert d’énergie irréversible.
• Le flux thermique $\Phi$ permet d’évaluer la vitesse de ce transfert : $$\Phi=\dfrac{\Delta E}{\Delta t}=\dfrac{Q}{\Delta t}$$
• le flux thermique dépend de la vitesse du matériau utilisé et de la différence $\Delta t$ entre deux milieux, la relation est la suivante : $\Phi = \dfrac{\Delta T}{R}$
• La température en Kelvin est liée à celle en degré Celsius par la relation : $T(\text{K}) = T(\text{C}) + 273$.
• La résistance thermique d’une paroi dépend du matériau et de son épaisseur.

Transferts énergétiques entre systèmes macroscopiques

• Un système est l’ensemble des constituants macroscopiques étudiés.
• L’énergie interne $U$ est l’énergie qu’un système peut stocker sans modification de mouvement ou d’altitude du système. C’est la somme de toutes les énergies microscopiques liées à sa structure moléculaire et atomique.
• Ces énergies sont l’énergie cinétique microscopique (l’agitation thermique) et l’énergie potentielle d’interaction entre les particules : $$\Delta U=\Delta E_{p(micro)}+\Delta E_{c(micro)}$$
• L’énergie cinétique microscopique augmente avec la température.
• Les énergies potentielles d’interaction dépendent de la distance entre les particules.
• La capacité thermique $C$ d’un corps solide ou liquide est l’énergie interne nécessaire pour augmenter sa température d’un degré ($\degree\text{C}$ ou $\text{K}$).
  Sans changement d’état ou transformation chimique, la variation d’énergie interne $\Delta U$ est : $\Delta U=C \cdot \Delta T$
• La capacité thermique $C$ dépend de sa masse : $C =m\cdot c$.
  On peut donc écrire :$$\Delta U=m\cdot c \Delta T$$

Bilans énergétiques

• L’énergie totale $E_{tot}$ d’un système est la somme de trois énergies :
• son énergie cinétique macroscopique $E_c$ ;
• son énergie potentielle de pesanteur $E_p$ ;
• l’énergie interne $U$.
• L’énergie totale ne peut être ni créée ni détruite, s’il y a gain ou perte d’énergie au sein d’un système, elle est cédée ou prise à un autre système.
• Un système est isolé s’il n’y a pas de transferts d’énergie avec d’autres systèmes. L’énergie totale d’un système isolé se conserve.
• On ne peut pas mesurer l’énergie totale d’un système, on ne peut mesurer que les variations.
• La variation d’énergie totale : $\Delta E_{tot}=W+Q$
• Pour un système immobile, on a : $\Delta E_{tot}=\Delta U =W+Q$
• Pour une machine thermique : $\Delta U=W+Q_C+Q_F=0$