Échanges d’énergie Annexe 2 Page 1 sur 1
Thermodynamique, T10.A2 © Isa 2020
Résumé
Les systèmes thermodynamiques échangent de l’énergie sous forme de travail ou de chaleur. Comment évaluer ces échanges ?
I. Expérience de Joule
Au milieu du 19e siècle, l’expérience de Joule montre que travail et chaleur sont deux modes d’échange de l’énergie.
Le travail et la chaleur s’expriment avec la même unité que l’énergie, le joule (J).
II. Travail d’une force
La notion de travail effectué par une force lorsque son point d’application se déplace est bien entendu la même en Thermodynamique qu’en Mécanique.
Les forces peuvent produire plusieurs effets. Déformer un système, maintenir son immobilité, le mettre en mouvement, modifier son mouvement. Le travail d’une force lors d’un déplacement donné caractérise l’efficacité de cette force dans ce déplacement1 en calculant l’énergie mise en jeu dans le référentiel d’étude. Le travail d’une force F constante, en direction, sens et intensité, dans un déplacement AB rectiligne2 d’une force s’écrit :
1 J = 1 N.m. Or 1N = 1 kg.m.s-2. Donc 1J = 1 kg.m2.s-2.
III. Échanges thermiques ou chaleur
Il existe trois façons d’effectuer les échanges thermiques : rayonnement, conduction, convection. Il y a deux types d’effet des échanges thermiques : changement de température, changement d’état. De plus, ils peuvent coexister ou se succéder au cours d’une même transformation. Les différents effets des échanges thermiques montrent que chaleur et température ne sont pas synonymes. Un corps peut recevoir de la chaleur sans que sa température augmente. Il peut aussi céder de la chaleur sans que sa température diminue.
La quantité de chaleur nécessaire pour faire passer la température d’un système donné de la valeur initiale Ti à la valeur finale Tf est proportionnelle à la différence de température. Le coefficient de proportionnalité, noté CT, est appelé capacité thermique moyenne du système dans la transformation T. Elle se mesure en joules par kelvin J.K-1.
La matière existe sous trois états principaux. Lors des changements d’état, fusion, vaporisation, sublimation le corps pur reçoit de l’énergie de la part de son milieu extérieur. Lors des changements inverses il en cède. Les températures de changement d’état dépendent de la nature du corps pur et de la pression.
La chaleur latente massique de changement d’état3, notée L changement d’état, est l’énergie reçue ou cédée par une unité de masse du corps pur lors d’un changement d’état réversible, isotherme et isobare. Elle dépend de la nature du corps, de la pression et du changement d’état. Elle s’exprime en J.kg-1.
Les deux chapitres suivants T11 & 12 introduisent l’expression du travail des forces pressantes puis celles des travaux du poids, de la tension d’un ressort et des forces électrocinétiques. Le chapitre T13 complète les notions de chaleur latente de changement d’état et de capacité thermique. Leurs définitions théoriques apparaîtront dans les chapitres T15 & 16. Un chapitre ultérieur approfondira encore les changements d’état.
1 Pour approfondir la notion de travail, cf. un cours de Mécanique.
2 Le travail est calculé dans le référentiel où cette force et ce déplacement sont considérés.
3 Elle est aussi appelée enthalpie massique de changement d’état, notée h changement d’état. Voir chapitre T16.
WAB(! F)= !
F⋅AB
"!"
=F.AB.cosθ
QT =CT
(
Tf −Ti)
Qchangement d'état =m Lchangement d'état
