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Chapitre 14 : Transferts d’énergie
Introduction : Par suite des échanges avec l’extérieur, comment varie l’énergie d’un système ?
1) Du microscopique au macroscopique
La matière est constituée d’un nombre trop grand d’entités (atomes, molécules, ions), pour que l’on puisse appliquer les lois physiques à l’échelle microscopique.
On est donc obligé de décrire le comportement collectif d’un grand nombre d’entités à l’aide de grandeurs physiques MACROSCOPIQUES, mesurables à l’échelle humaine telles que pression ,volume, température.
La constante d’Avogadro permet de faire le lien entre le MICROSCOPIQUE et le MACROSCOPIQUE : La mole , abordée en classe de seconde, est une unité de quantité de matière qui contient autant d’entités qu’il y a d’atomes dans 12 g de carbone 12 , soit 6,02 . atomes ( constante d’Avogadro)
Un système macroscopique est une portion d’espace limitée par une surface, contenant un grand nombre d’entités assimilés à des points matériels.
2) Energie interne d’un système
2.1. Définition
Les particules d’un système, quel que soit son état, sont en mouvement désordonné, appelé agitation thermique. A l’échelle macroscopique, on mesure cette agitation avec la TEMPERATURE.
Cette agitation se traduit par une énergie cinétique microscopique ; qui augmente avec la température.
Il existe aussi une énergie potentielle microscopique, causée par toutes les interactions entre les entités composant le système.
On appelle ENERGIE INTERNE d’un système, notée U, la grandeur macroscopique définie comme la somme des cinétiques et potentielles MICROSCOPIQUES des entités constituants le système.
Remarque : L’énergie mécanique d’un système, , est la somme de l’Ec et de l’Ep ( voir chapitre 7).
L’énergie TOTALE d’un système : = + U
2/ 8 .2. Variation d’énergie interne
On ne mesure que la variation ΔU de l’énergie interne, entre un état initial et un état final.
Cette variation est la conséquence d’échanges d’énergies du système avec l’extérieur, sous forme de travail W ou par transfert thermique Q.
Si l’énergie mécanique du système est constante, ΔU= W + Q avec W= travail et Q = chaleur.
Par convention, W et Q sont POSITIFS sil ils sont reçus par le système et NEGATIFS si ils sont cédés par le système.
.3. Capacité thermique
On s’intéresse ici à un système solide ou liquide , qui n’échange de l’énergie que par TRANSFERT THERMIQUE, sans changer d’état physique.
Lorsque la température d’une corps de masse m, liquide ou solide, passe de à , sa variation d’énergie interne ΔU à pour expression : ΔU = m. c. ( - ) = m. c. ΔT
ΔU en Joules ΔT en K ou °C
C est appelé capacité thermique massique du corps et s’exprime en J. . ou J. .
Remarque : * Selon le signe de ΔT, ΔU sera positive ou négative.
* En toute rigueur, c dépend de la température , mais on admettra cette valeur constante dans tout le chapitre.
Exemple :
Matériau eau cuivre éthanol brique verre aluminium
C (J. . 4180 385 2430 840 720 897
3/ 8 Cela signifie que:
1 kg d’eau à besoin de 4180 J pour augmenter sa température de 1°
1 kg d’eau « « 8360 J « « « « 2°
0,5 kg augmente sa température de 2° en recevant 4180 J
Exercice 1: a) Calculez la variation d’énergie interne de 150L d’eau chauffés de 15° à 65 ° b) Calculez la variation de température de 500g de cuivre recevant 10000J
Exercice 2: Une voiture de masse m=1150kg roule à la vitesse de 130 km/h. Le conducteur freine brusquement et s’arrête au bout de 145 m, ce qui provoque un échauffement des freins.
1. Quelle est la conversion d’énergie produite lors du freinage ?
2. Quelle est la valeur de l’énergie transférée au niveau des freins ( en négligeant tous les autres transferts ?
3. Si toute cette énergie était transférée à une masse de 5 kg d’eau, quelle serait son élévation de température ?
3) Transferts thermiques
On s’intéresse ici aux différentes possibilités pour un système , d’échanger de l’énergie avec l’extérieur, par TRANSFERT THERMIQUE.
Dès qu’il apparait une différence de température entre 2 systèmes ou au sein d’un même système, on observe un transfert SPONTANE d’énergie de la partie chaude vers la partie froide.
Le transfert thermique peut être une cause d’irréversibilité :par transfert thermique , le système évolue vers un état final, sans qu’il soit possible de revenir à l’état initial, à moins d’apporter de l’énergie extérieure sous une autre forme.
Il existe 3 modes principaux de transfert d’énergie :
La CONDUCTION est un transfert thermique par contact, sans transport de matière : l’agitation thermique se transmet de proche en proche. Elle se produit principalement dans les solides.
La CONVECTION est un transfert porté par un MOUVEMENT de matière. Elle se produit dans les fluides.
Le transfert par RAYONNEMENT est généré par l’émission ou l’absorption d’un rayonnement électromagnétique.
Exemples :
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4) Flux et résistance thermiques
4.1. Notion de flux thermique
Définition : Le flux thermique Φ à travers une surface ,est la puissance thermique qui la traverse. Il évalue la vitesse du transfert thermique Q, pendant une durée Δt . Ce flux va spontanément de la source chaude vers la source froide et est IRREVERSIBLE :
Φ =
4.2. Cas d’une paroi plane
Résistance thermique d’une paroi plane :
La résistance thermique d’un corps traduit sa capacité à s’opposer au transfert thermique .
Soit une paroi dont les 2 faces sont à la température et avec > traversée par un flux thermique Φ, la résistance thermique de cette paroi , , est définie par :
=
Φ en Watt ( W) et en K. La résistance thermique ,d’une paroi plane, dépend de son épaisseur, e, de sa surface S et de sa constitution : on définit la conductivité thermique λ par :
=
e en m, S en et λ en W. . On en déduit donc la relation :
=
soit Φ = Lorsque plusieurs parois sont accolées, la résistance thermique de l’ensemble est la somme des résistances thermiques : = + + +……
Exemples de conductivités :
matériau air bois polystyrène béton verre acier aluminium Cuivre
λ enW. . 0,0262 0 ,16 0,036 0,92 1,2 46 250 390
Plus λ est grand ( petit ) plus le matériau est CONDUCTEUR et moins il est ISOLANT
Exercice 2 : Soit le mur ci-dessous, constitué d’une épaisseur e = 25 cm de béton, et de surface
5) 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
S = 20 . Les températures sont données (T1=22°C et T2=16 °C).
a) Calculez de la paroi b) Calculez Φ
c) On colle sur la paroi, 10 cm de polystyrène pour l’isoler, calculez la nouvelle valeur de et de Φ
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Un bilan énergétique se conclue souvent par le calcul d’un rendement ( exprimé en %) :
Rendement = η =
Dispositif Eolienne Cell . photov. Réfrigérateur Chauffe eau Lampe
incandescence
Moteur voiture
Rendement < 59 % 20 % 40 % 90 % 5 % 35 %
Exercice 3 : Bilan énergétique d’un chauffe eau solaire
L’eau circulant dans le circuit primaire d’un chauffe eau solaire utilise la puissance solaire reçue, valant P = 2200 W, pour chauffer les 200 L d’eau.
En une heure la Température de l’eau passe de 15°C à 22 °C
a) Déterminer le rendement de ce chauffe eau sachant que = 4180 J. . b) Représenter la chaîne énergétique de ce chauffe eau.
Exercice 4 :
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Exercice 5 : Exercice 6 :
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6) Exercice Bac N° 17 :
ENONCE :
Beaucoup de constructions récentes sont dites BBC (Bâtiment basse consommation). Elles sont construites avec des matériaux limitant les pertes énergétiques, en particulier l'hiver, afin de réduire l'émission de gaz à effet de serre et le coût du chauffage.
On étudie le chauffage d'une pièce de 35 m3 par un chauffage central qui fait circuler de l'eau chaude dans un radiateur en acier de volume V= 5,0 L et de masse m = 24 kg. L'eau en sortie de chaudière est à la température T1= 60 °C. Lorsqu'elle pénètre dans le radiateur, elle est à T2 = 50 °C ; en sortie de radiateur elle est à T3 = 45 °C.
Le chauffage permet le passage de la température de cette pièce de Ti = 15 °C à Tf = 20 °C.
Le chauffage central est alimenté par une chaudière à gaz dont le constructeur affirme que le rendement vaut 93 %.
Données :
capacité thermique massique de l'acier : cacier = 446 J. .
capacité thermique massique de l'eau : ceau = 4180 J. .
masse volumique de l'eau : po = 1,00 kg.L-1
1. Analyse qualitative des échanges énergétiques .
a. Par quel mode de transfert énergétique la partie métallique du radiateur reçoit-elle de l'énergie ? b. Par quels modes transfère-t-elle cette énergie à la pièce ?
c. Décrire au niveau microscopique l'évolution de l'air de la pièce pendant la montée en température ce celle-ci.
d. Comment expliquer que la température de sortie de chaudière de l'eau n'est pas la même que la température d'entrée dans le radiateur ?
2. Montée en température du radiateur
Avant la mise en route du chauffage la température de la pièce est à 15 °C. La puissance fournie par le radiateur est proportionnelle à l'écart entre la température du métal du radiateur et celle de l'eau arrivant dans le radiateur. Le constructeur du radiateur annonce que, lorsque cet écart est de 50 °C, la puissance thermique fournie à la pièce est 1 500 W.
a. Quelle est la température du radiateur et de l'eau qu'il contient avant la mise en route du chauffage ?
b. Une fois le chauffage en route, l'énergie apportée par l'eau chaude élève, dans un premier temps, la température du radiateur à T4 = 47 °C. Quelle puissance fournit le radiateur dans ces conditions ?
c. Déterminer la variation d'énergie interne du métal du radiateur lors de sa montée en température.
3. Étude quantitative des transferts thermiques
a. Déterminer l'énergie transférée à la pièce par l'eau du radiateur . Aida -
b. La chaudière contient 15 L d'eau qui y rentre à température 7-0= 25 °C. Quelle est l'énergie reçue par l'eau dans la chaudière ?
c. Déduire du rendement indiqué par le constructeur de la chaudière, l'énergie consommée par la chaudière pour chauffer cette eau.
4. Étude des flux thermiques
La pièce étant mal isolée, une partie de l'énergie transférée à l'air par le radiateur est perdue à travers les parois. En une heure, on estime ces pertes à = 20 kJ
a. Déterminer le flux thermique total à travers ces parois.
b. La perte d'énergie n'ayant lieu que vers l'extérieur de la maison (fenêtres, murs extérieurs), déterminer la résistance thermique moyenne Rth de ces surfaces en contact avec l'extérieur. La température extérieure des parois est Text = 10°C quand la température intérieure des parois est Tf = 20 °C.
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