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Chapitre 18. Transferts thermiques d'énergie (à l'échelle…
Chapitre 18. Transferts thermiques d'énergie
à l'échelle microscopique
comportement individuel des particules inaccessible
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Comment "visualiser" des atomes et molécules ?
Microscope Électronique à Balayage (MEB) :
http://toutestquantique.fr/sem/
Microscope à Force Atomique (AFM) :
http://toutestquantique.fr/afm/
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
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
\( \lambda \) élevée : matériau conducteur de chaleur
\( \lambda \) faible : matériau isolant
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
\( \Phi = \frac{\Delta T}{R_{th}} \) avec \(\Delta T \) l'écart de température entre les deux faces de la paroi
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
Conséquence : variation d'énergie interne du système macroscopique :
\( \Delta U = C \times (T_{f}-T{i}) \)
avec :
\( \Delta U \) en joule (J)
\( C \) capacité thermique du système en joule par kelvin (J⋅K-1)
\( T_{f} \) température finale en kelvin (K)
\( T_{i} \) 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
unité : la mole = autant d'entités qu'il y a d'atomes dans exactement 12g de carbone 12
Énergie interne U : résulte de toutes les contributions microscopiques :
agitation microscopique, dépendant de la température)
interactions entre particules
Bilan d'énergie : variation de l'énergie totale du système
\( \Delta E = \Delta U + \Delta E_m \)
\( \Delta E = W + Q \)
Efficacité énergétique
\( \eta = \frac{énergie\,utile}{énergie\,requise} \leq 1 \)
Méthode :
définir le système
lister les transferts d'énergie entre le système et l'extérieur (préciser le sens et le mode)
Compter algébriquement :
transfert >0 si le système reçoit l'énergie
transfert <0 si le système perd l'énergie
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