Chapitre 7 : transferts thermiques

Nous avons déjà vu qu’une force qui travaille peut faire varier l’énergie cinétique et/ou l’énergie potentielle de pesanteur d’un système. Le travail est donc un mode de transfert d’énergie. Le travail d’une force peut-il avoir d’autres effets ?

I. Autres effets du travail d'une force :

1. Déformation d'un ressort (vidéo)

Examinons l'exemple suivant: on allonge un ressort en tirant sur son extrémité.

La variation d'énergie cinétique du ressort est: DEc = Ec₂ – Ec₁ Þ DEc = 0 car Ec₂ = Ec₁ = 0

Pourtant le travail de la force n'est pas nul. Le ressort a emmagasiné de l'énergie sous une autre forme que l'énergie cinétique ou que l'énergie potentielle de pesanteur. On dit que le travail de la force a été utilisé pour augmenter l'énergie interne du ressort.

2. Compression d'un gaz (vidéo)

Dans l'exemple ci-dessous, on comprime un gaz en appuyant sur une piston mobile.

La variation d'énergie cinétique du gaz est:

DEc = Ec₂ – Ec₁ Þ DEc = 0 car Ec₂ = Ec₁ = 0

Pourtant le travail de la force n'est pas nul. Le gaz a emmagasiné de l'énergie sous une autre forme que l'énergie cinétique (ou que l'énergie potentielle de pesanteur). On dit que le travail de la force a été utilisé pour augmenter l'énergie interne du gaz.

3. Elévation de température

Voici un autre exemple où l'on provoque l'échauffement d'une masse d'eau en tournant une manivelle. Lorsqu'on tourne la tige, on observe une augmentation de la température de l'eau, mais par contre, en régime permanent, la variation d'énergie cinétique de l'eau est nulle. Pourtant le travail des forces exercées par l'expérimentateur n'est pas nul. L'eau a emmagasiné de l'énergie sous une autre forme que l'énergie cinétique (ou que l'énergie potentielle de pesanteur). Le travail des forces exercées par l'expérimentateur a été utilisé pour augmenter l'énergie interne de l'eau, ce qui est révélé par une augmentation sa température (la température d'un corps dépend de son énergie interne).

4. Changement d’état physique 

Lorsqu’on ski, les forces de frottement des skis sur la neige sont à l’origine de la fusion de la glace. Lorsque la glace fond les molécules sont plus libres de se déplacer dans l’eau liquide donc les interactions microscopiques entre les molécules d’eau sont modifiées.

II. Energie interne

1. Définition

On appelle énergie interne, l’ensemble des formes d’énergie présentes au sein d’un système. On la note U. Elle s’exprime en joule (J). L'énergie interne est due en particulier:

· A l’énergie potentielle microscopique d’interactions existant entre les particules qui constituent le système.

• A l'énergie cinétique microscopique des particules qui constituent le système (agitation thermique).

Un système dont l’énergie interne augmente stocke de l’énergie. Inversement, un système dont l’énergie interne diminue libère de l’énergie.

Le transfert d’énergie sous forme de travail n’est pas la seule façon de faire varier l’énergie interne d’un corps. On peut également élever la température d’un corps tout simplement en le chauffant, ce que l’on nomme transfert thermique.

III. Transferts thermiques

1. Définition

A l’échelle macroscopique, on parle de transfert thermique à chaque fois que l’on met en contact 2 corps de température différente.

Le transfert s’effectue toujours du corps de plus haute température vers le corps de plus basse température.

Pourquoi la température du corps froid augmente et celle du corps chaud diminue ?

Explication à l’échelle microscopique...

2. Energie interne et température

La température est due à l'agitation thermique, c'est à dire à l'énergie cinétique microscopique des particules qui constituent le système.

Remarque: Si la température T augmente, alors Ec_mic augmente et l'énergie interne U augmente.

3. Mécanisme du transfert thermique:

Les chocs au niveau de la zone de contact provoquent l'augmentation de l'énergie cinétique microscopique des particules du corps froid. On dit qu'il y a transfert d'énergie par "chaleur". La température du corps chaud diminue et la température du corps froid augmente. Lorsque T_{corps chaud} = T_{corps froid}, les deux objets sont à l'équilibre thermique.

IV. Transfert d'énergie par rayonnement

Le transfert d'énergie par rayonnement met en jeu la production puis l'absorption d'un rayonnement visible ou invisible de même nature que la lumière. L’énergie cinétique des particules de l’objet augment car elles absorbent l’énergie du rayonnement. La température de l’objet augmenter.

V. Energie d'un système

1. Energie totale

A tout système, dans un état donné, on peut associer une grandeur appelée énergie totale et notée E: C’est la somme de :

• Son énergie cinétique Ec.
• Son énergie potentielle de pesanteur Ep.
• Son énergie interne U.

E = Ec + Ep + U

Pour faire varier l’énergie d’un système, il faut faire varier son énergie mécanique ou son énergie interne. Cela se produit si le système reçoit de l’énergie provenant de l’extérieur ou cède de l’énergie à l’extérieur, sous forme de travail, de transfert thermique ou de rayonnement.

2. Système énergétiquement isolé

S’il n’y a pas d’échanges d’énergie avec l’extérieur, le système est énergétiquement isolé et son énergie reste constante soit ΔE=0.

ΔE = 0 => ΔEc + ΔEp + ΔU = 0