[PDF] Thème 1 : Lénergie Energie interne Ch 5 Energie interne

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Thème 1 : L'énergieEnergie interne

Ch 5 Energie interne : température et échange d'énergie I_ La température : une mesure de l'agitation microscopique

1°) L'échelle Celsius

L'échelle de température Celsius (nu nom d'Anders Celsius) est définit à partir des

changement d'état de l'eau. Le zéro degré (0°C) est définit par la fusion de la glace d'eau

et 100°C correspondent à l'ébullition de l'eau liquide.

2°) Agitation thermique microscopique

La température est la mesure à notre échelle de l'agitation des constituants de la matière

à l'échelle microscopique (atomes, ion ou molécules). Plus cette agitation est grande, plus la température est élevée. Inversement, plus l'agitation est faible, plus la température est faible. Si l'agitation microscopique cesse complètement, on peut associer à cet état une température nulle, un zéro absolu. Les physiciens ont montré que ce zéro se situait vers -273°C. On peut donc définir une échelle absolue de température : l'échelle kelvin.

3°) Echelle absolue de température

Le zéro se situe à -273°C (environ) et les graduations ont le même écart que l'échelle

celsius. Ci-dessous, la correspondance entre les deux échelles La relation entre la température θ (°C) et T (K) s'écrit : T (K) = θ (°C) + 273. Exemple : la température de la pièce est de 20°C, soit 20 + 273 = 293 K

II_ L'énergie interne

1°) Définition.

A un système dans un état physique

donné, on peut associer une grandeur, notée U, appelée énergie interne.

L'énergie interne comprend diverses

formes d'énergie emmagasinées par un système: énergie d'interaction de molécules, d'atomes ou de nucléons;

énergie cinétique microscopique des

particules du système; énergie de déformation élastique...°C 0100
°K

273 K373 K

-273 °C 0 K

Système

Milieu extérieur

E > 0E < 0

2°) Principe de conservation.

Soit E l'énergie éhangée par le système au cours d'une transformation: Si le système reçoit l'énergie E du milieu extérieur, E est comptée >0 Si le système fournit l'énergie E au milieu extérieur, E est comptée <0 (Analogie avec argent débité ou crédité sur un compte bancaire)

Si ΔEC = 0 (pas de variation d'énergie cinétique) et ΔEPP = 0 (pas de variation de position)

pour le centre d'inertie du système, le principe de conservation de l'énergie se traduit par :

ΔU = E

L'énergie transférée entre le système et le milieu extérieur est égale à la variation

d'énergie interne U du système. Si le système reçoit du travail (E >0) alors ΔU = U(final) -U-initial) > 0 donc U(final) > U(initial). L'énergie interne du système a augmenté. Si le système cède du travail (E < 0) alors ΔU = U(final) -U-initial) < 0 donc U(final) < U(initial). L'énergie interne du système a diminué. Exemple : L'eau contenue dans une bouilloire électrique est chauffée par une résistance de valeur R = 10 Ω et parcourue par un courant i = 10 A pendant une minute. Que vaut la variation d'énergie interne ΔU de l'eau pendant le chauffage et sous quelle forme cette

énergie est elle emmagasinée ?

L'énergie dissipée par la résistance par effet Joule vaut E = R.i2 .Δt = 10x(10)2 x 60 =

60 kJ. Cette énergie étant reçue par l'eau (aux pertes thermiques près de la bouilloire), la

variation d'énergie interne de l'eau s'est accru de ΔU = E = 60 kJ. Cette énergie est emmagasinée sous forme d'agitation microscopique des molécules d'eau (cela se traduit à notre échelle par une augmentation de la température de l'eau).

III_ Le transfert thermique

1°) Définition.

Un transfert thermique est une augmentation de l'énergie interne d'un système résultant d'une augmentation de température ou de changement d'état du système. Un transfert thermique est plus communément appelé chaleur. Exemple: de l'eau placée dans une casserole sur le gaz voit son énergie interne augmenter suite au transfert thermique entre la flamme et la casserole contenant l'eau.

2°) Propriétés.

Un transfert thermique s'effectue toujours entre deux systèmes à des températures

différentes, du système à la température la plus élevée au système à la température la

plus basse.

Il existe 4 modes de transfert thermique:

-par contact -par conduction -par convection -par rayonnement

3°) Transfert thermique par contact

Deux systèmes, S1 à la température T1 et S2 à la température T2 (T1 > T2 ) sont mis en contact. L'agitation thermique des particules de S1 se transmet aux particules de S2 par l'intermédiaire de la surface de contact entre les deux systèmes. S1, T1S2, T2

Transfert thermique

Remarque: ce transfert thermique s'effectue sans transport de matière.

Exemple: transfert thermique par contact

entre les flammes du gaz et le fond de la casserole.

4°) Transfert thermique par conduction

Les deux systèmes S1 à la température T1 et S2 à la température T2 (T1 > T2 ) sont mis en contact par l'intermédiaire d'un conducteur thermique. L'agitation thermique des particules de S1 se transmet aux particules de S2 par l'intermédiaire du conducteur thermique en contact avec les deux systèmes. Remarque: ce transfert thermique s'effectue sans transport de matière. Exemple: dans un réchaud électrique, le transfert thermique s'effectue de la résistance chauffante à la casserole par l'intermédiaire de la plaque métallique du réchaud.

5°) Transfert par convection

L'air s'échauffe au contact des

résistances du radiateur et sa température augmente. Cet air chaud, moins dense que l'air froid, s'élève au dessus du radiateur.

Ce transfert thermique s'effectue avec

transport de matière.

6°) Transfert thermique par rayonnement

Le rayonnement solaire (ondes

électromagnétiques) transporte de

l'énergie jusqu'à l'atmosphère terrestre et au sol à travers le vide de l'espace. La température de l'air et du sol augmente.

Le transfert thermique par

rayonnement s'effectue sans transport de matière.

III_ Bilan de transfert thermique

1°) Transfert thermique et élévation de température.

Le transfert thermique Q (ou quantité de chaleur) échangée avec l'extérieur par un corps

pur de masse m dont la température passe d'une valeur i à une valeur f est telle que :

Q = m.c (f - i)

avec c: capacité thermique massique du corps pur considéré ( c en J.kg-1.°C-1 ). Q en J , m

en kg et températures en °C.

Exemple :

Pour augmenter la température de 200 L d'eau d'un chauffe-eau de 15°C à 60°C, la capacité thermique massique de l'eau valant 4,18.103 J/kg/°C, il faut fournir une énergie Q = 200x4,18.103 x(60 - 20) = 3,34.107 J = 33,4 MJ.

2°) Transfert thermique et changement d'état.

Rappels sur les changements d'état des corps pursS1, T1S2, T2

Transfert

thermique conducteur thermique

SoleilTerre

atmosphère

Rayonnement solaire

air froid air chaud radiateur électrique La matière existe sous trois états physiques : solide, liquide et gazeux. Un corps pur change d'état à température constante (sous un pression constante). Cette

température est caractéristique du corps pur. Exemple, l'eau pure se solidifie à 0°C à la

pression atmosphérique. Le changement d'état s'accompagne d'échange d'énergie entre le corps et le milieu

extérieur. Lorsqu'on fait fondre un glaçon dans l'air, les molécules d'eau dans le glaçon

reçoivent de l'énergie d'agitation thermique de l'air pour passer à l'état liquide. Le transfert thermique Q (ou quantité de chaleur) échangée avec l'extérieur par un corps pur de masse m subissant un changement d'état est :

Q = m.L

L est la chaleur latente massique de changement d'état du corps pur (L en J. kg-1 ).

Exemple :

Pour faire fondre (à 0°C) deux kilogrammes de glace d'eau (d'énergie massique de fusion L = 3,34.105 J/kg), il faut fournir une énergie Q = 2,0x3,34.105 = 6,68.105 J.

3°) Transfert thermique et énergie interne.

Le transfert thermique, noté Q, entre un système S et le milieu extérieur va faire varier l'énergie interne U de S telle que: U = Q ( Q en joules)

Si Q > 0, le système reçoit de l'énergie donc U = U(final) - U(initial) >0 soit U(final) >

U(initial). L'énergie interne U du système augmente.

Et inversement si Q < 0...Système

Milieu extérieur

Q > 0Q < 0

θfusionθébullitionθ en °C

fusionvaporisation solidificationliquéfaction

SolideLiquideGaz

sublimation condensation sublimationquotesdbs_dbs23.pdfusesText_29

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