Chapitre 18. Transferts thermiques d'énergie

à l'échelle microscopique

comportement individuel des particules inaccessible #

Comment "visualiser" des atomes et molécules ?

Microscope Électronique à Balayage (MEB) : http://toutestquantique.fr/sem/

Conséquence : variation d'énergie interne du système macroscopique :
ΔU=C×(Tf−Ti)
avec :

  • ΔU en joule (J)
  • C capacité thermique du système en joule par kelvin (J⋅K-1)
  • Tf température finale en kelvin (K)
  • Ti température initiale en kelvin (K)

Système macroscopique : portion de l'espace limitée par une surface contenant la matière étudiée.
Système ≠ milieu extérieur

passage de l'échelle micro à l'échelle macroscopique

Savoir estimer un ordre de grandeur (puissance de 10 la plus proche du nombre)

Nombre d'Avogadro : NA = 6,02e23 mol-1

Énergie interne U : résulte de toutes les contributions microscopiques :

  • agitation microscopique, dépendant de la température)
  • interactions entre particules

Interprétation du flux thermique à l'échelle microscopique par 3 modes

Conduction : le transfert thermique se fait de proche en proche, sans déplacement de matière, par des interactions entre les atomes ou molécules en contact
(uniquement dans les solides)
Voir une animation

Convection (spécifique aux fluides) : mouvement des atomes ou molécules = déplacement de matière
Voir une animation

Rayonnement : généré par absorption ou émission d'un rayonnement électromagnétique

Flux thermique : caractérise la vitesse du transfert thermique \( Q \) pendant la durée \( \Delta t \) : \( \Phi=\frac{Q}{\Delta t} \)
Avec :

  • \( Q \) en joule (J)
  • \( \Delta t \) en seconde (s)
  • \( \Phi \) en watt (W)

Cas d'une paroi plane

Le flux thermique est plus important si :

  • l'épaisseur \( e \) de la paroi est petite
  • la surface \( S \) de la paroi est grande
  • la conductivité thermique \( \lambda \) de la paroi est grande

Résistance thermique \( R_{th} = \frac{e}{\lambda \times S} \) en K⋅W-1, avec :

  • \( e \) en mètre (m)
  • \( S \) en mètre carré (m²)
  • \( \lambda \) en W⋅m-1⋅K-1

Bilan d'énergie : variation de l'énergie totale du système
\( \Delta E = \Delta U + \Delta E_m \)
\( \Delta E = W + Q \)

Efficacité énergétique
\( \eta = \frac{énergie\,utile}{énergie\,requise} \leq 1 \)

Définition : transfert spontané d'énergie d'un corps chaud vers un corps froid

Cause d'irréversibilité : on ne peut pas revenir spontanément à l'état initial

unité : la mole = autant d'entités qu'il y a d'atomes dans exactement 12g de carbone 12

Microscope à Force Atomique (AFM) : http://toutestquantique.fr/afm/

  • \( \lambda \) élevée : matériau conducteur de chaleur
  • \( \lambda \) faible : matériau isolant

\( \Phi = \frac{\Delta T}{R_{th}} \) avec \(\Delta T \) l'écart de température entre les deux faces de la paroi

Méthode :

  1. définir le système
  2. lister les transferts d'énergie entre le système et l'extérieur (préciser le sens et le mode)
  3. Compter algébriquement :
  • transfert >0 si le système reçoit l'énergie
  • transfert <0 si le système perd l'énergie