Transferts thermiques

A / Autres effets du travail d'une force

1 / Déformation d'un ressort

Examinons l'exemple suivant: on allonge un ressort en tirant sur son extrémité.

La variation d'énergie cinétique du ressort est:

Pourtant le travail de la force n'est pas nul. Le ressort a emmagasiné de l'énergie sous une autre forme que l'énergie cinétique ou que l'énergie potentielle de pesanteur. On dit que le travail de la force a été utilisé pour augmenter l'énergie interne du ressort.

2 / Compression d'un gaz

Dans l'exemple ci-dessous, on comprime un gaz en appuyant sur une piston mobile.

La variation d'énergie cinétique du gaz est:

Pourtant le travail de la force n'est pas nul. Le gaz a emmagasiné de l'énergie sous une autre forme que l'énergie cinétique (ou que l'énergie potentielle de pesanteur). On dit que le travail de la force a été utilisé pour augmenter l'énergie interne du gaz.

3. Élévation de température

Voici un autre exemple où l'on provoque l'échauffement d'une masse d'eau en tournant une manivelle.

Lorsqu'on tourne la tige, on observe une augmentation de la température de l'eau, mais par contre, en régime permanent, la variation d'énergie cinétique de l'eau est nulle.

Pourtant le travail des forces exercées par l'expérimentateur n'est pas nul. L'eau a emmagasiné de l'énergie sous une autre forme que l'énergie cinétique (ou que l'énergie potentielle de pesanteur). Le travail des forces exercées par l'expérimentateur a été utilisé pour augmenter l'énergie interne de l'eau, ce qui est révélé par une augmentation de sa température (la température d'un corps dépend de son énergie interne).

Autres exemples :

Disques de freins de voiture: le freinage provoque un échauffement.

B / Énergie interne

1 / Définition

On appelle énergie interne l'ensemble des formes d'énergie présentes au sein d'un système.

On la note ………….

L'énergie interne est due en particulier :

. aux interactions existant entre les particules qui constituent le système.

. à l'énergie cinétique des particules qui constituent le système.

2 / Principe de conservation

Soit un système S et soit W l'énergie transférée au système par travail.

Par convention :          Si W > 0, le système ………………… de l'énergie.

Si W < 0, le système ………………… de l'énergie.

L'énergie totale du système s'écrit :

L'énergie échangée par le système avec l'extérieur s'écrit :

Le principe de conservation de l'énergie s'écrit :

Si :

3 / Système sans changement d’état ni transformation chimique

Quand la température d’un système passe de ?₁ à ?₂ proche, sans transformation chimique ni changement d’état physique, sa variation d’énergie interne U₁ – U₂ est proportionnelle à la variation de température ( ?₁ - ?₂ ).

La capacité thermique C est donc égale à l’énergie qu’il faut apporter au système pour augmenter sa température de 1°C (ou de 1°K). Elle peut être considérée comme constante lorsque la variation de température se limite à un domaine restreint.

La capacité thermique d’un corps homogène est d’autant plus grande que sa masse est importante : elle lui est proportionnelle, ce qui s’exprime par la relation :

C / Transferts thermiques

1 / Énergie interne et température

La température est due à l'agitation thermique, c'est à dire à l'énergie cinétique microscopique des particules qui constituent le système.

Remarque : Si la température T augmente, alors Ec_mic augmente et l'énergie interne U augmente.

2 / Mécanisme du transfert thermique

Les chocs au niveau de la zone de contact provoquent l'augmentation de l'énergie cinétique microscopique des particules du corps froid. On dit qu'il y a transfert d'énergie par "chaleur". La température du corps chaud diminue et la température du corps froid augmente.

Lorsque T_{corps chaud} = T_{corps froid}, les deux objets sont à l'équilibre thermique.

Remarque :

Le transfert d'énergie par chaleur s'effectue toujours du corps chaud vers le corps froid.

Un transfert thermique ne peut as se propager dans le vide.

D / Transfert d'énergie par rayonnement

Le transfert d'énergie par rayonnement met en jeu la production puis l'absorption d'un rayonnement visible ou invisible de même nature que la lumière.

Remarque :

Le vide n’empêche pas les transferts par rayonnement car un rayonnement peut se propager dans le vide.

Une couche argentée permet la réflexion des ondes électromagnétiques responsable du rayonnement.

E / Énergie d'un système

1 / Énergie totale

L'énergie totale d'un système est constituée de :

2 / Système isolé

Définition :

Un système isolé du point de vue énergétique est un système dont l'énergie ne varie pas :

Pour un système isolé, on peut écrire :

3 / Transfert d'énergie

Lorsqu'un système échange de l'énergie avec le milieu extérieur, sa variation d'énergie peut s'écrire :

Si Ec et Ep ne varient pas (vitesse et altitude constante par exemple) :

Si le transfert s'effectue par travail W :

Si le transfert s'effectue par chaleur et rayonnement Q :

Si le transfert s'effectue par travail, chaleur et rayonnement :