Les transferts thermiques (niveau Première)

Résumé du document

I) ÉLEVATION DE LA TEMPERATURE D'UN CORPS

A) ÉLEVATION DE LA TEMPERATURE PAR UN TRAVAIL MECANIQUE

En fournissant un travail mécanique, James Prescott Joule parvient à augmenter la température de l'eau contenue dans une cuve.
Il utilise pour cela un dispositif qui transforme le mouvement de translation de deux masses en un mouvement de rotation des palettes brassant l'eau.

B) ÉLEVATION DE LA TEMPERATURE PAR UN TRANSFERT THERMIQUE

Transfert thermique par conduction et convection

Une élévation de température identique peut être obtenue en chauffant l'eau à l'aide d'une plaque électrique par exemple.
Ce mode de transfert d'énergie est un transfert thermique.
Il s'effectue par la mise en contact de deux systèmes matériels de températures différentes et peut se produire sans déplacement de matière (dans le cas d'une conduction thermique) ou avec un déplacement de matière (dans le cas d'une convection thermique).

Transfert thermique par rayonnement

En exposant de l'eau aux rayons du Soleil, on observe à nouveau une variation de température.
Elle est due à un transfert thermique de l'énergie, qui s'effectue à distance et que l'on nomme rayonnement.

Conclusion

Par un transfert thermique, il est possible d'obtenir une élévation de température identique à celle obtenue par un travail mécanique.
Remarque : on regroupe les deux modes de transfert thermique (par conduction ou par convection) sous l'appellation « transfert thermique ».
Le transfert thermique par rayonnement est alors simplement appelé « rayonnement ».

II) EXEMPLES DE TRANSFERTS THERMIQUES

A) TRANSFERT THERMIQUE PAR CONDUCTION ET CONVEXION

Quand on met en contact deux morceaux de fer de températures différentes, les températures de chaque morceau évoluent jusqu'à atteindre une température intermédiaire, dont la valeur dépend des masses en présence.
Du café chaud laissé à l'air ambiant voit sa température diminuer.
La vitesse du refroidissement est plus importante s'il est servi dans un récipient métallique plutôt que dans un récipient en porcelaine ou en matière plastique (...)

Extraits

[...] Approche microscopique de la conduction Un transfert thermique par conduction nécessite une interaction entre les particules du système et celles de son environnement. Le transfert thermique par conduction de manière désordonnée par des chocs entre les particules dans le cas des fluides ou par la transmission de vibrations dans le cas des solides. Exemple Les molécules du corps A cèdent une partie de leur énergie microscopique aux molécules du corps B dont la température est plus basse. Le transfert d'énergie est désordonné. [...]

[...] En été, la mer étant plus froide étant plus froide que la terre, il se produit un transfert thermique de la terre vers l'eau, ce qui entraine une diminution de la température du littoral. En hiver, c'est le phénomène inverse qui se produit. L'effet de serre : un transfert d'énergie par rayonnement Le sol absorbe une partie du rayonnement solaire et émet un rayonnement infrarouge Ce dernier est absorbé partiellement par la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone, le méthane et l'ozone présents dans l'atmosphère qui rayonne à son tour vers le sol. [...]

[...] Si l'énergie d'un système augmente ou diminue, c'est qu'il a reçu ou cédé de l'énergie, soit sous la forme de travail (autre que celui des forces de pesanteur) soit par l'intermédiaire de transferts thermiques : ΔE = W + Q Un exemple d'analyse des transferts d'énergie Intéressons-nous au système constitué par l'enveloppe d'une montgolfière lors de son lancement. Le brûleur élève la température de l'air intérieur, qui communique une partie de son énergie à l'enveloppe par transfert thermique > 0). L'engin s'élève sous l'action de la poussée d'Archimède. De l'énergie est transférée au système par un travail mécanique > 0). Il en résulte une augmentation de l'énergie totale E (somme de l'énergie cinétique, de l'énergie potentielle de pesanteur et de l'énergie interne) du système. La variation d'énergie ΔE = W + Q est positive. [...]

[...] Le transfert thermique s'effectue spontanément du système dont la température est la plus élevée au système dont la température est la plus basse. L'égalité des températures traduit l'équilibre thermique. Dans le cas d'un transfert avec l'atmosphère, la variation de température de celle-ci est trop insignifiante pour être détectée. Transfert thermique par rayonnement Exposés à la lumière du Soleil, certains tissus déteignent, la peau brunit, une pellicule photographique est impressionnée. La lumière qui est émise par une lampe pénètre dans l'œil où elle déclenche des réactions biochimiques. [...]

[...] Ce mode de transfert d'énergie est un transfert thermique. Il s'effectue par la mise en contact de deux systèmes matériels de températures différentes et peut se produire sans déplacement de matière (dans le cas d'une conduction thermique) ou avec un déplacement de matière (dans le cas d'une convection thermique). Transfert thermique par rayonnement En exposant de l'eau aux rayons du Soleil, on observe à nouveau une variation de température. Elle est due à un transfert thermique de l'énergie, qui s'effectue à distance et que l'on nomme rayonnement. [...]