Terminale S – Chapitre 16 : Transferts thermiques d’énergie


I – Transferts thermiques
1) Chaleur et flux
Le transfert thermique se fait toujours du corps chaud vers le corps froid (cf. 1ère S). Ce phénomène est
spontané et irréversible. Le transfert se fait jusqu’à équilibre thermique.
Le flux thermique  (ou puissance thermique P ) caractérise la vitesse du transfert thermique Q pendant
une durée t au sein d’un système ou entre différents systèmes :

 Q en J
Q 
 avec  t en s
t  en W


2) Résistance thermique
Cas d’une paroi plane : cf. page 214 document 10
Le flux thermique à travers une paroi séparant un corps chaud d’un corps froid est proportionnel à la
différence des températures entre le corps chaud et le corps froid :

Tc et T f en°C ou K

Tc  T f  Rth  avec   en W
 R en K.W 1
 th


Rth correspond à la résistance thermique : pour une différence de température donnée, le flux thermique
est d’autant plus petit que la résistance thermique de la paroi est grande.

En pratique, pour une paroi plane de surface S , d’épaisseur e et de conductivité thermique
  W.m1.K 1  , on a Rth 
e
S
 est d’autant plus élevé que le matériau est bon conducteur de la chaleur ; un bon isolant thermique
correspond à des valeurs faibles de  .




Remarque : la relation Tc  T f  Rth  est analogue à la loi d’Ohm U AB  VA  VB  RI utilisée en électricité.




-1-
 3) Modes de transfert
Cf. Activité « L’effet de serre »
a) La conduction
Le transfert thermique par conduction nécessite un milieu matériel. Il est généré au niveau microscopique
par des interactions entre des entités en contact direct : l’énergie résultant de l’agitation thermique des
particules est transportée de proche en proche sans déplacement de matière. C’est le seul mode de
transfert thermique dans les solides.

b) La convection
Le transfert thermique par convection nécessite un milieu matériel. Il est généré par un mouvement global
des entités microscopiques à l’intérieur d’un système : l’énergie est transportée par des mouvements de
matière, au sein d’un gaz ou d’un liquide.
Remarque : conduction et convection sont deux modes de transfert simultané dans les fluides. La
convection se fait plus rapidement.

c) Le rayonnement
Le transfert thermique par rayonnement ne nécessite pas de milieu matériel. Il est généré par l’absorption
ou l’émission d’un rayonnement électromagnétique : l’énergie est transportée par ces rayonnements.
Pour résumer :




II – Energie interne
1) Passage du microscopique au macroscopique
Cf. Activité « Du macroscopique au microscopique »
L’approche microscopique décrit le comportement individuel des constituants d’un système (atomes,
molécules, particules).
Un système macroscopique est une portion d’espace limitée par une surface contenant la matière étudiée.
Il est constitué d’un grand nombre d’atomes ou de molécules, assimilés à des points matériels.
La constante d’Avogadro nous donne une idée de la différence d’échelle entre le microscopique et le
macroscopique.
1
Sa valeur est N A  6,02.10 mol
23




2) Définition
Cf. Activité « Une énergie au cœur de la matière »
L’énergie interne U d’un système macroscopique résulte de contributions
microscopiques : l’énergie cinétique microscopique et l’énergie potentielle
microscopique.

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 U   Ec microscopique  E p microscopique

Remarque : les énergies potentielles microscopiques sont liées aux interactions électromagnétiques entre
les atomes, ions, molécules. Elles dépendent de la distance entre les entités. Plus les entités
s’éloignent, plus la contribution de l’énergie potentielle d’interaction à l’énergie interne
diminue.




3) Capacité thermique
Si un système condensé ne change pas d’état, la variation de son énergie interne se calcule par la relation :
 U en J

U  CT avec T en°C ou K
 C en J.K 1

C est la capacité thermique du système condensé, elle dépend de sa nature. Elle correspond à l’énergie
que doit recevoir le système pour augmenter sa température de 1°C.
Remarque :
C
 On peut employer la capacité thermique massique cm  en J.K 1.kg 1 où m représente la masse du
m
système. Dans ce cas, U  mcm T (relation vue en 1ère S).
Exemple : cm  H2O   4,18J.g 1.°C1 : il faut fournir 4,18 J à 1 g d’eau pour augmenter sa température de
1°C sans qu’elle change d’état.
C
 On peut aussi utiliser la capacité thermique volumique cv  en J.K 1.m3 où V représente le
V
volume du système. Dans ce cas, U  Vcv T

4) Bilan énergétique
La variation de l’énergie interne d’un système est la conséquence
d’échanges d’énergie avec l’extérieur par le travail W ou par transfert
thermique Q . Si l’énergie mécanique du système est constante, alors :
U  W  Q
Par convention, le travail et le transfert thermique sont comptés
positivement s’ils sont reçus par le système et négativement s’il sont
cédés par le système.



Exemple :



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Remarque : attention, la convention choisie dans le livre est différente (cf. document 13 page 216).
Méthode : pour établir un bilan énergétique, il faut :
 définir le système macroscopique étudié
 relever la nature des transferts énergétiques (par le travail ou par transfert thermique) entre ce système
et l’extérieur
 repérer le sens de ces transferts et leur attribuer un signe positif si le système reçoit de l’énergie ou
négatif s’il en perd
 représenter les transferts par une chaîne énergétique, en distinguant les convertisseurs d’énergie des
systèmes qui la stockent
 conclure par une évaluation de l’efficacité de la transformation
Exemples :




On peut définir un rendement :
énergie utile transférée
r . Il est compris entre 0 et 1
énergie totale reçue par le convertisseur
et est souvent donné en %.

Remarque : l’énergie totale d’un système est ETOT  Ec  E p  U

Un système est dit isolé s’il n’effectue pas de transferts d’énergie avec
d’autres systèmes. L’énergie totale d’un système isolé se conserve.

III – Machines thermiques
1) Définition
Une machine thermique assure la transformation de chaleur en travail ou inversement. En régime
permanent ou stationnaire, l’énergie interne d’une machine thermique ne varie pas ( U  0 ) car elle se
retrouve dans le même état. On parle de cycle thermodynamique. Il existe deux types de machines
thermiques :
 les moteurs thermiques qui cèdent du travail
 les récepteurs qui reçoivent du travail




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Principe général :




2) Moteurs
Cf. document 15 page 217
 Qc  0

Le bilan énergétique du moteur s’écrit : U  Qc  Q f  W  0 avec Q f  0
W  0


3) Récepteurs
Cf. document 16 page 218
 Qc  0

Le bilan énergétique d’un récepteur s’écrit : U  Qc  Q f  W  0 avec Q f  0
W  0

Cf. Activité « Quelle chaleur dans mon frigo »
Remarque :
Pour une pompe à chaleur, le bilan est : Qc  Q f  W
Pour un chauffage électrique, on a Qc  W .
On en déduit que pour le même travail reçu, un chauffage électrique est moins performant qu’une pompe à
chaleur.




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