Ch11 -Transferts macroscopiques d'énergie

I. E L’én Défi L’EN éne Ains A no     II. T Les nom 1. La L’ag La Energie d’un nergie totale  Energie - Les agit - Les  Energie - L’é - Les inition : NERGIE INT rgies cinétiq si, l’énergie to oter : On ne mesu entre un éta Cette variat du système par transfer Si l’énergie m ∆U = W + Q Dans le cas environneme transformatio PAC) son én Par convent système et N Transferts t II.1 M différentes p mbre de 3: a CONDUCT gitation des a Barre a conduction

Chap

n système m ETOT d’un sy es microsco s énergies c tation thermi s énergies po es macrosco énergie cinéti s énergies po TERNE d’un ques et pote otale d’un sy ure que la va at initial et u tion est la co e avec l’exté rt thermique mécanique d Q où le systèm ent (système on cyclique ( nergie intern tion, W et Q s NEGATIFS s thermiques odes de tra possibilités p TION atomes est di e de métal thermique

11- Tran

macroscopiq stème physi opiques (U) inétiques de que liée à la otentielles d’ opiques (Em) ique du systè otentielles (d système no entielles MIC ystème physi ariation ∆U un état final. onséquence érieur, sous e Q. du système e me étudié n’in e isolé) ou si (machines th e reste cons sont POSITI s’ils sont céd nsfert therm pour un systè iffusée à par

nsferts

que

que (par exe

es particules a température interaction e )

ème s’il est e de pesanteur

otée U est la CROSCOPIQ ique est éga

Ude l’énergie . e d’échange forme de tr est constante nteragit pas le système s hermiques : m stante : ∆U = FS s’ils sont dés par le sys mique ème d’échang rtir de la part

macros

emple une po composant e.. ntre atomes en mouveme r, électrique, a grandeur m QUES des e le à :

E

_TO e interne, es d’énergie ravail W ou e, avec son subit une moteur ou = 0 J reçus par le stème. ger de l’éner ie chauffée d

scopiqu

omme) se dé le système, , ions, moléc

ent (la pomm élastique) macroscopi entités const

U

E

_m T





es e

rgie avec l’ex

du métal. R (lum



Ech

ues d’én

écompose en , qui sont en cules… e tombe par que définie tituants le s

U

xtérieur par t Rayonnement mière ambian Q > 0 hange énergé

E

m

U

ou

nergie

n : n mouvemen r exemple) comme la s système. ransfert ther Co t nte) Rayo étique d’un ca ou énergie m u énergie int nt du fait de somme des mique sont a onduction Q < 0 onnement I.R Q < 0 afé mécanique e terne en

J

e leur au R. n

J

2. La CONVECTION

La convection est un transfert porté par un mouvement de matière. Elle ne se produit que dans les fluides.

Le fluide chauffé, et donc dilaté, s’élève à la verticale de la source entraînant un appel de fluide à la base de la source chaude. Le fluide est ainsi brassé.

Contrairement à la conduction, il y a un déplacement (macroscopique) de matière.

3. Le RAYONNEMENT

Un transfert par rayonnement est généré par l’émission ou l’absorption d’un rayonnement électromagnétique.

Ce mode de transfert est le seul a pouvoir s’effectuer dans le vide.

II.2 Energie interne et température

On considère un système solide ou liquide qui n’échange de l’énergie que par transfert thermique sans changer d’état physique.

Lorsque un corps de masse m, liquide ou solide, passe d’une température initiale TI à une température finale

TF , sa variation d’énergie interne ∆U a pour expression :



T

F

T

I



c

m

U















U



m



c





T

La grandeur c est appelée « capacité thermique massique » du solide ou du liquide en question.

Elle représente l’énergie qu’il faut fournir pour augmenter de 1 K la température d’un kilogramme de ce solide ou liquide.

II.3 Flux et résistance thermique Définition :

Le flux thermique



à travers une surface est la puissance thermique qui la traverse. Ce flux évalue la vitesse du transfert thermique Q pendant une durée ∆t. Il va spontanément de la source chaude vers la source froide et est IRREVERSIBLE :

t

Q







∆U en J ∆T en kelvins (K) ou °C m en kg c en J



kg –1



K –1 ou en J



kg –1



°C –1



en watts (W) ∆t en s Q en J Mouvement de convection

Exemple :

Le mur laisse passer en une heure une énergie de 1,7310 5

J. Le flux thermique correspondant est :

.

W

t

Q

1

,

48

3600

10

73

,

1

5













La résistance thermique d’un corps traduit sa capacité à s’opposer au transfert thermique.

Définition :

Pour une paroi plane dont les deux faces sont à la températureT1 et T2 avec T1 > T2, traversée par un flux

thermique



, la résistance thermique R est définie par :







T

1

T

2

R

th

Pour une paroi plane, la résistance dépend de : - son épaisseur e

- sa surface S

- sa constitution caractérisée par une conductivité thermique notée



Ainsi, la résistance thermique R est aussi définie par :

A noter : Lorsque plusieurs parois sont accolées, la résistance thermique

équivalente est égale à la somme des résistances thermiques.

Questions :

a. Retrouver la dimension de la conductivité thermique.

b. Déterminer l’expression de la conductivité thermique en fonction de , e, S, T1 et T2.

c. En déduire la nature de la matière composant le mur de la figure 10 de surface 10 m2_.

d. Déterminer la nouvelle résistance thermique de ce mur si l’on y accole 10 cm de polystyrène. e. En déduire la nouvelle valeur ’ du flux thermique de ce mur isolé. Conclure.

III. Bilans énergétiques

Pour établir un bilan énergétique, on doit :

 Définir le système macroscopique étudié.

 Déterminer la nature des transferts énergétiques (Travail W ou chaleur Q) entre le système et l’extérieur.  Déterminer le sens de ces transferts : l’énergie reçue par le système est comptée positivement, et celle

cédée, négativement.

 Représenter ces transferts par une chaîne énergétique et conclure sur l’efficacité de la transformation en déterminant généralement un rendement (en %) noté  (êta)

reçue

énergie

utile

énergie





ou bien en se plaçant au niveau de l'utilisateur :

ystème

fournieaus

énergie

récupérée

énergie





Intérieur 21 °C Extérieur 9 °C Mur 21 9 0 T (°C)

e

Gradient de température dans un mur.

0,40 m



en watts (W) T en K ou °C Rth en K



W –1 e en m S en m2



en W



m –1



K –1 Rth en K



W –1 Matériau



(W



m –1



K –1) Air 0,026 Polystyrène 0,036 Bois 0,16 Béton 0,92 Verre 1,2 Acier 46 Aluminium 250 Cuivre 390



Exemples de conductivités

S

e

R

_th







ex19 p366

Exemple :

L’eau circulant dans le circuit primaire d’un chauffe-eau solaire utilise la puissance solaire reçue, valant P = 2200 W, pour chauffer 200 L d’eau.

En une heure la température de l’eau passe de 15°C à 22°C

Questions :

a. Déterminer le rendement de ce chauffe-eau sachant que ceau = 4180 J



kg –1



K –1.

b. On considère le système {eau du circuit primaire}. Compléter le diagramme énergétique suivant : c. Exprimer le rendement



en fonction des énergies tranférées.

Q2

… 0

Eau circuit primaire Soleil Q

… 0

Q1

… 0

Pertes dans l’environnement Chauffe-eau