Chapitre P9
D'autres modes de transferts d'énergie
I) Comment s'effectue un transfert thermique ? 1-1) Qu'est-ce qu'un transfert thermique ?
Lors du chapitre précédent, nous avons vu qu'en fournissant du travail à un corps, on peut faire varier sa température ou le faire changer d'état. Cela conduit à une variation d'énergie interne.
Une variation d'énergie interne peut aussi être obtenue en chauffant le corps. Il s'agit alors d'un transfert thermique, communément appelé chaleur et noté Q. Elle se mesure en Joule.
1-2) Le transfert thermique spontané :
Activité : Parmi les situations suivantes, indiquer dans quel sens s'effectue le transfert thermique (c'est à dire quel corps cède la chaleur et lequel la reçoit).
Indiquer comment vont varier les températures des deux corps.
Systèmes Sens du transfert thermique et variation des températures
Une tasse de café chaude et l'air froid environnant.
Comment varie la température du café ? Elle diminue.
Comment varie la température de l'air froid environnant ?
Elle augmente.
Quel est le système qui cède de l'énergie ? La tasse de café.
Quel est la système qui reçoit de l'énergie ? L'air froid environnant.
Un apéritif et un glaçon.
Comment varie la température de l'apéritif ? Elle diminue.
Comment varie la température du glaçon ? Elle augmente.
Quel est le système qui cède de l'énergie ? L'apéritif.
Quel est le système qui reçoit de l'énergie ? Le glaçon.
Conclusion :
Un corps chaud cède de l'énergie par transfert thermique Q et son énergie interne diminue, tandis que le corps froid reçoit de l'énergie par chaleur et son énergie interne augmente.
A retenir :
Un transfert thermique spontané entre deux corps s'effectue toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid.
1-3) Comment s'effectue un transfert thermique ? Il existe deux modes de transferts thermiques :
• la conduction thermiques
• la convection
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1-3-1) La conduction thermique : Expérience :
On dispose horizontalement une tige métallique (par exemple, fer, cuivre ou aluminium).
On dépose sur la tige, à intervalles réguliers, de petites boules de cire de bougie.
On chauffe une extrémité de la tige à l'aide d'une flamme.
Observations :
On constate que les boules de cire fondent les unes après les autres, depuis la flamme jusqu'à l'extrémité de la tige.
Interprétation :
Il y a un transfert thermique de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide dans la tige métallique.
Les atomes de la partie chaude, possédant une énergie cinétique microscopique plus grande que ceux de la partie froide, communiquent, de proche en proche, à ces derniers une partie de leur énergie.
Conclusion :
Le mode de transfert thermique s'effectuant sans transport de matière mais par transfert de l'énergie interne des particules de proche en proche, est appelé conduction thermique.
Remarque :
L'importance et la rapidité de ce transfert dépendent beaucoup de la nature des matériaux. Les métaux sont d'excellents conducteurs thermiques alors que les matières plastiques, les verres le sont beaucoup moins.
Pour éviter cette conduction thermique, entre deux corps, on peut interposer un isolant thermique tel que de la laine de verre (photo ci-contre), du polystyrène, ou de l'air. Le vide est un isolant thermique parfait du point de vu de la conduction thermique (principe du double vitrage).
Remarque bis :
La différence de conduction thermique entre les matériaux explique également la sensation de froid lorsqu'on touche un métal par rapport à une matière plastique, pourtant à la même température. Le métal étant un excellent conducteur thermique, en cas de contact notre main cède de la chaleur et on ressent aussitôt une sensation de froid. Au contraire un isolant ne permet pas un tel échange de chaleur.
1-3-2) Transfert thermique par convection dans les fluides : exemple :
Lorsque l'on fait chauffer une casserole remplit d'eau, la plaque chauffante commence par augmenter la température de l'eau présente au fond de la casserole.
Cette eau plus chaude, devient moins dense que l'eau froide et va avoir tendance à remonter vers le haut de la casserole tandis que l'eau froide du haut va effectuer le chemin inverse et va du coup être chauffée plus rapidement car plus proche de la plaque chauffante.
Ces transferts thermiques s'accompagnant de mouvement de matières sont qualifiés de transferts thermiques par convection.
Ce phénomène de convection joue un rôle très important dans le mouvement des masses d'air dans l'atmosphère (vents) et d'eau dans les océans (courants marins).
A retenir :
Un transfert thermique s'effectue par conduction ou par convection. Ces deux modes de transfert nécessitent la présence d'un milieu matériel, ils ne peuvent pas s'effectuer dans la vide.
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II) Qu'est-ce qu'un transfert d'énergie par rayonnement ?
Sachant que la chaleur nécessite obligatoirement un milieu matériel pour se propager, comment expliquer que l'énergie libérée par le Soleil puisse nous parvenir à travers le vide sidéral ?
Des ondes électromagnétiques (ou radiations) visibles ou invisibles, se propagent dans le vide entre la Terre et le Soleil. Ces radiations transportent de l'énergie, et sont en partie absorbées par les objets terrestres et contribuent ainsi à l'augmentation de leur énergie interne.
Inversement tout objet émet un rayonnement électromagnétique qui à tendance à faire diminuer son énergie interne.
La nature des ondes électromagnétiques émises dépend de la température de l'objet. Parmi toutes les ondes électromagnétiques, ce sont surtout les infra rouges qui sont émises à la température ambiante.
Les radiateurs rayonnants à infrarouges, les appareils de thermographie (voir doc ci-dessous) utilisent cette propriété.
A retenir :
Le transfert d'énergie par ondes électromagnétiques est appelé transfert par rayonnement. Il peut se propager dans le vide contrairement aux transferts thermiques.
Étude de document : Comment détecter les fuites thermiques
Correction :
1- Un rayonnement infrarouge est un rayonnement électromagnétique invisible à l'œil nu dont la fréquence est inférieure au domaine visible
(infra signifie en deçà, on peut donc définir l'infrarouge comme « en dessous du rouge »).
2- Les rayonnements émis par tout corps dépendent de sa température. Ainsi plus un corps est chaud et plus il émet de rayonnement infrarouge. La thermographie permet donc de mesurer les températures des surfaces extérieures.
3- Les thermographies infrarouge des maisons et bâtiments permet donc de déterminer les déperditions de chaleur des logements. C'est un diagnostique utile qui permet d'améliorer ensuite l'isolation des habitations dans un soucis d'économie d'énergie.
Conclusion générale :
A tout système dans un état donné, on peut associer une grandeur appelée
« énergie ». Si l'énergie d'un système augmente ou diminue, c'est qu'il a reçu ou cédé de l'énergie, que ce soit par travail, par transfert thermique ou par rayonnement.
3/3 1-Qu'appelle-t-on rayonnement infrarouge ?
2- Expliquer pourquoi la thermographie infrarouge permet de mesurer les températures des surfaces extérieures.
3- Quel est l'intérêt de réaliser la thermographie infrarouge des maisons et bâtiments ?
