[PDF] ENERGIE THERMIQUE ET TRANSFERT THERMIQUE

1 DELAHI Mohamed

Matière :Physique ChimieNiveau :1 Bac SMTransfert thermique:1)Définition et sens transfert thermique:Lorsque 2 corps à des températures différentes sont mis en contact, on constate quela températuredu corps chaud diminue tandis que celle du corps froid augmente. Il y atransfert d"énergie entre les deux corps: c"est le transfert thermique.Un transfert thermique se fait spontanémentdu corps ayant la température la plusélevée vers le corps ayant la température la plus basse.CorpschaudCorpsfroid121>2Q2)Modes de transfert thermique:3-1/transfert thermiquepar conduction:Définition:Transfert thermique par conduction est un mode de transfert d"énergie ayant lieu àtravers des corps conducteurs thermiquesans déplacement de la matièreExemple:

3-2/transfert thermiquepar convection:Définition:Transfert thermique par convection est un autre mode de transfert d"énergieavecdéplacement de la matièreAB

2 DELAHI MohamedExemple:

3)Effets du transfert thermique:Le transfert peut élever la température d'un corps.Le transfert thermique peut aboutir à unchangement d'état physique d'un corps pur.Transfert thermique etEnergiethermique:1)Energie thermique (Quantité de chaleur):Définition:Un transfert thermiqueest un transfert d'énergie d'un corps chaud (ou système chaud)à un corps froid (ou système froid), cette énergie est dite énergie thermique (ouquantité dechaleur). on note une énergie thermique par la lettre Q, son unité dans S.I. des unités est lejoule noté (J).Convention:Un système peut recevoir ou céder de l"énergiepar transfert thermique avec l'extérieur.Si systèmereçoit effectivement del"énergie par transfert thermique,Q serapositiveQ 0.Si systèmeperd effectivement de l"énergiepar transfert thermique, Q sera négativeQ 0.Expression de l'énergie thermique:f iQ = m × C ×θ - θQ : énergie thermique ou quantité de chaleur (J) ; m : masse (kg) ; i : température initiale (K)C : capacité thermique massique (J.kg-1.K-1) ;f : température finale (K)

3 DELAHI MohamedDéfinitioncapacité thermique massique C:Lacapacité thermique massique d'un corps pur estl'énergiethermiquenécessaire à 1 kg dece corps pour élever sa température de 1°C.

Définitioncapacité thermique:Lacapacité thermique d'un corpsde masse m estl'énergie thermique nécessaire pourélever sa température de 1°C, elle est exprimée par la relation:? = m× C : capacité thermique (J..K-1) ou(J..C-1); m : masse (kg) ; C : capacité thermique massique (J.kg-1.K-1)Remarque :Lacapacité thermique d'un système (S) formé de plusieurs corps est égale à la somme descapacités thermiques de ces corps :S i i ii i? = ? = m× C 2)Equilibre thermique:Lorsque deux corps de températures différentes entrent en contact "dans une enceinteisolante:fuites thermique négligeable", ils échangent de l"énergie thermique : le corps chaudperd de l'énergieQ' et sa température diminue tandis que lecorpsfroid perd de l'énergieQ etsa température augmente.Le transfert thermique se produitde sorte à ce que leurs températures respectivess"égalisent.ils sont alors dans un état appelé équilibre thermique, il est exprimé par larelation :Q Q' = 0Remarque :Souventun transfert thermique s'accompagnede fuitesthermiques pour remédier à ce problème"minimiser les fuites"onutilise souvent uneenceinte adiabatique (pas d'échange thermiqueavec le milieu extérieur ) qui n'est autre que lecalorimètre.(J.kg-1.K-1)

4 DELAHI Mohamed

Applications:Application N°1 :Détermination de la capacité thermique d'un calorimètreLa capacité thermique d'un calorimètre (et cesaccessoires) est l'énergie nécessaire pour élever latempérature du calorimètre et ses accessoires de 1°C. onla noteC.Onverse rapidement une masse m2 d'eau chaude detempérature2 dans un calorimètre contenant une massem1d'eau froidde température1. on agite le mélange,après un moment la température du mélange se stabilise à (équilibre thermique)Le système (S) formé par le calorimètre et la masse m1 d'eaureçoit une énergie Q1(Q1 > 0):1 1 e 1 C 1Q = m × Cθ - θ + θ - θLa masse m2 d'eau chaude perd une énergie Q2 (Q2 < 0):2 2 e 2Q = m × Cθ - θA l'équilibre thermique :1 2Q + Q = 01 e 1 C 1 2 e 2m × Cθ - θ + θ - θ m× Cθ - θ 0 C 1 2 e 2 1 e 1θ - θ m× Cθ - θ m× Cθ - θ 2 e 2C 1 e1m × Cθ - θm × Cθ - θ

5 DELAHI MohamedApplicationN°2 :Détermination de la capacité thermique massique d'un métalOn dispose d'un calorimetre de capacité thermiqueCcontenant une masse m1 d'eaudont latempératureest1. on introduit dans lecalorimètre un petitblocd'un métal de masse m après d'avoir retiré d'une eaubouillante et l'avoir séché. après agitation températuredu mélange se stabilise à (Figure cicontre).m1 = 300 g ; m = 122 g ;C = 100 J.K-1 ;1 = 19,8°C ;2 = 76°C ; = 22,1°C ;Le système (S1) formé par le calorimètre et la masse m1 d'eaureçoit une énergie Q1 (Q1 > 0):1 1 e 1 C 1 1 e C 1Q = m × Cθ - θ + θ - θ m× C +θ - θ Le système (S2) formé par le bloc de métal aperd une énergie Q2(Q2 < 0):2 2Q = m × Cθ - θA l'équilibre thermique entre les 2 systèmes :1 2Q + Q = 01 e C 1 2m × C +θ - θ m× Cθ - θ 0 1 e C 12m × C +θ - θCm×θ - θCalculerla valeur deC ?Exercice d'applicationN°1:Onverse rapidementdansun calorimetre de capacité thermiqueC = 210 J.C-1unemasse m1 = 355 g d'eaudont la température1 = 23,8 °C. on introduit ensuite dans lecalorimètre un morceau de laiton "alliage composé essentiellement de cuivre et de zinc "de masse m2 = 173 g et de température2 = 88,5 °C.1)Comment appelle-t-on le transfert d'énergie entre les 2 systèmes{calorimetre,masse d'eau} et{morceau de laiton} .2)Préciser le sens du transfert.3)Ecrire la relation traduisant l'équilibre thermique ayant lieu.4)en déduire la température finale q du mélangesachant que la capacité thermiquemassique du laiton est C = 378 J.kg-1.C-1.

6 DELAHI Mohamed3)pur(chaleur latente):3-1/ Fusion et solidification :SOLIDELIQUIDESolidificationFusionDéfinitionChaleur latente massique de fusion Lf:La chaleur latentemassiqueLf de fusion d'un corps pur estl'énergie thermiquenécessaire pour transformer totalement à 1 kg de ce corps de l'état solide à l'étatliquide à températuref et pression constante.Expression de l'énergie thermique:L'énergiereçue par le corps pur au cours de sa fusion,à température et pressionconstante, est donnée par la relation :fQ = m × LQ :énergie thermique (J.); m : masse (kg) ;Lf :Chaleur latente massique de fusion(J.kg-1.)Corps purLf(j.kg-1)f(°)Glace3,35.1050Aluminium4,04.105660Fer2,70.1051635Remarque :On admet que l'énergieQ' perdu par le corps pur au cours de sa solidification, àtempérature et pression constante, est :SolQ' = m × L ; Q' 0 avec LSOLChaleurlatente massique desolidification ; avecQ' = Q donc :Sol f L = - LExercice d'applicationN°2:Cent tonnes de ferrailles sont chauffées dans un four électrique afin d'obtenir du ferliquide à 1538°C. La température initiale est 20°C. La durée de l'opération dure 5 heureset le rendement du four est de 70%.Données :Cfer=450 J.kg-1 K-1; Lfusion fer= 270 kJ kg ;f(fer) = 1538°C.Quelle est l'énergie électrique nécessaire. En déduire la puissance du four.

7 DELAHI Mohamed3-2/Vaporisation etliquéfaction :GAZLIQUIDELiquéfactionVaporisationDéfinitionChaleur latente massique devaporisation LV:La chaleur latentemassiqueLV de fusion d'un corps pur estl'énergie thermiquenécessaire pour transformer totalement à 1 kg de ce corps de l'état liquide à l'étatgazeux à températureV et pression constante.Expression de l'énergie thermique:L'énergiereçue par le corps pur au cours de savaporisation, à température etpression constante, est donnée par la relation :VQ = m × LQ :énergie thermique (J.); m : masse (kg) ;LV :Chaleur latente massique devaporisation(J.kg-1.)Corps purLV(Kj.kg-1)V(°)eau2261100éthanol90678dioxygène212,5-182,962dihydrogene450-252,87Remarque :On admet que l'énergieQ' perdu par le corps pur au cours de saliquéfaction, àtempérature et pression constante, est :lQ' = m × L ; Q' 0 avec LlChaleurlatente massique deliquéfaction; avecQ' = Q donc :

8 DELAHI MohamedTransfertL'énergie transportée sous forme de radiationsélectromagnétiques est appelée énergie rayonnante.Elle est notéeWR. Elle s'exprime en Joule. Toutcorps chaud émet des radiations électromagnétiquesqui transportent de l'énergie.Energie interne et transfertSi le transfert s'effectue par travail uniquement, la variation de l'énergie interne dusystème est :U = WAvec W étant l'énergie transfert par travailSi le transfert s'effectue seulement par chaleur, la variation de l'énergie interne dusystème est :U = QAvec Q étant l'énergie transfert par chaleurSi le transfert s'effectue partravail, par chaleurou par rayonnement, la variation del'énergie interne du système est :TU = W + QAvec Q étant l'énergie transfert par chaleur et/ oupar rayonnementEnoncé du premier principede la thermodynamique :La variation de l'énergieinterne d'un système, au cours d'une transformation, est égale àla somme des énergies transférées (par travail, par chaleur ou par rayonnement) entre lesystème et le milieu extérieur.TΔU = W + Q