Chapitre 15 Terminale S
Les transferts thermiques d'énergie Les transferts thermiques d'énergie Physique-Chimie




CONTEXTE
La thermodynamique est un domaine de la physique qui étudie les échanges d'énergie lors du fonctionnement d'une
machine. Comprendre les échanges énergétiques est indispensable pour comprendre la façon dont les systèmes
physiques fonctionnent. Parmi ces échanges, les transferts thermiques occupent une place centrale car ils sont au cœur
des problématiques énergétiques comme l'économie d'énergie et la recherche d'énergie renouvelable. Les comprendre et
les évaluer est donc indispensable.




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I L'énergie interne d'un système
A Le système et le milieu extérieur

DÉFINITION Système en thermodynamique
Le système en thermodynamique est un ensemble macroscopique (gaz, liquide ou solide) composé de N particules
(atomes, ions ou molécules) délimité par des frontières (réelles ou ctives). Tout ce qui n'appartient pas au système
constitue le milieu extérieur.

EXEMPLE
On considère une cuve remplie de gaz au fond de laquelle repose un solide cubique. L'expérimentateur peut dé nir
plusieurs systèmes différents :
Un volume de gaz
Le solide
L'ensemble {gaz + solide}
L'ensemble {gaz + solide + cuve}


PROPRIÉTÉ

Un système est considéré comme macroscopique si le nombre de particules N le composant est plus grand ou du même
ordre de grandeur que le nombre d'Avogadro A . N
DÉFINITION Nombre d'Avogadro
N
Le nombre d'Avogadro, noté A , correspond au nombre d'atomes présents dans 12 grammes de carbone 12.
N
Il sert de dé nition à la mole puisqu'une mole contient A entités avec :
N = 6, 022.10
A 23 mol−1

B La description macroscopique d'un système
À l'échelle macroscopique, un système peut être décrit grâce à des grandeurs physiques mesurables comme :
La température,
La pression,
La densité, etc.

C La description microscopique d'un système

→v
D'un point de vue microscopique, un système macroscopique est composé d'un très grand nombre de particules se
déplaçant à une vitesse .




Description microscopique d'un système




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PROPRIÉTÉ

Chaque particule possède alors :
Une énergie cinétique due à son mouvement. La somme des énergies cinétiques de toutes les particules dé nit la
température du système.
Une énergie potentielle d'interaction due à l'interaction entre particules proches. Cette énergie dé nit l'état physique du
système.

EXEMPLE
Au sein d'un gaz, les atomes ou molécules interagissent peu entre eux et sont donc plus "libres" de leur mouvement que
dans un liquide. C'est pourquoi un gaz peut occuper tout le volume disponible et pas un liquide.


D La dé nition de l'énergie interne

DÉFINITION Énergie interne
L'énergie interne d'un système, notée U, est la somme de toutes les énergies microscopiques des particules qui le
composent :
N
U = ∑ (Ecmicro
i + Epmicro
i )
i=1
Elle représente l'énergie du système sans que celui-ci ne soit en mouvement macroscopiquement.

EXEMPLE
On considère de l'eau dans un récipient sur une plaque chauffante. Pendant toute la durée de l'expérience, le centre
d'inertie du système {eau} ne bouge pas donc seule la valeur de l'énergie interne pourra être modi ée. On règle la plaque
chauffante sur 50°C. L'augmentation de température due au chauffage va augmenter l'énergie cinétique des molécules
d'eau donc l'énergie interne de l'eau sera plus grande.




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II Les échanges d'énergie entre un système et le milieu extérieur
A L'énergie totale d'un système

DÉFINITION Énergie totale d'un système
L'énergie totale d'un système est la somme de toutes les énergies macroscopiques de ce système :
Etotale = Ecmacro + Epmacro + U
EXEMPLE
On considère un ballon de baudruche de masse m rempli d'oxygène en chute libre dans l'air à la vitesse v uniquement
soumis à son poids qui chute d'une hauteur h. Son énergie totale sera :
Etotale = 12 ⋅ m ⋅ v2 + m ⋅ g ⋅ h + U
Où l'énergie interne correspond à la somme des énergies potentielles d'interaction et des énergies cinétiques des
molécules d'oxygène à l'intérieur du ballon et des molécules composant le ballon.

Au cours de l'évolution d'un système, cette énergie totale va changer de valeur en fonction des échanges énergétiques qui
ont lieu aux frontières du système.

B La nature des échanges énergétiques
Les échanges énergétiques entre le système et son milieu extérieur peuvent être de deux natures :
Des échanges d'énergies dus aux travaux des forces, notés W
Des échanges d'énergies dus à des transferts thermiques, notés Q

C La variation de l'énergie totale

FORMULE Variation de l'énergie totale
La variation de l'énergie totale lors de l'évolution d'un système correspond aux échanges d'énergie qui ont lieu aux frontières
du système. Elle est donnée par la relation suivante :
ΔEtotale = W + Q
Avec :
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