La température
La température d’un corps solide ou d’un fluide est liée à l’agitation des particules le constituant : c’est l’agitation thermique. Plus la température est élevée, et plus l’agitation est forte.
Il existe 2 échelles de température :
la température absolue, notée T, qui s’exprime en kelvin (K). La référence, « le zéro absolu », correspond à l’absence totale d’agitation ; cette valeur est toujours positive ;
la température relative, notée θ, qui s’exprime en degré Celsius (°C).
L’échelle de température relative θ, qui s’exprime en degré Celsius, est simplement décalée par rapport à l’échelle de température absolue T, qui s’exprime en kelvin, de 273,15 °C. Une variation d’un kelvin correspond à une variation d’un degré Celsius.
Les 2 échelles sont donc liées par la relation simple : T = θ + 273,15 et inversement θ = T – 273,15.
La mesure de la température est réalisée à l’aide de thermomètres :
à thermocouples (➀) : il est constitué de 2 fils de métaux différents, soudés à l’une de leurs extrémités, présentant une tension dépendant de la température ;
à bilame (➁) : un ressort composé de 2 lames à coefficients de dilation différents se déforme en fonction des variations de température ;
à dilatation (➂) : le volume occupé par le liquide augmente avec la température.
L'énergie interne
Définition
Système : un système est une partie de l’espace que l’on étudie. Ce qui ne fait pas partie du système constitue le milieu extérieur.
L’énergie interne, notée U, s’exprime en joule (J). Elle correspond à l’énergie microscopique d’un système. On peut la trouver sous forme :
de vitesse microscopique des particules constituant le système (agitation thermique) ;
de déformation microscopique par modification des distances entre les particules du système ;
d’énergie potentielle d’interaction (chimique, nucléaire…).
L’énergie interne n’est pas mesurable, mais il est possible d’évaluer ses variations.
Plus la température d’un système augmente, plus l’agitation thermique augmente et plus son énergie interne U augmente. Inversement, lorsque sa température diminue, il cède de l’énergie. La variation d’énergie interne ∆U = Ufinale – Uinitiale est proportionnelle à la variation de température du système : ∆U = k × ∆T = k × ∆θ avec k coefficient de proportionnalité positif.
Le transfert thermique
Le transfert thermique est un mode de transfert d’énergie, il s’exprime en joule (J).
A) Définitions
Il y a transfert thermique :
à chaque fois que l’on met en contact 2 corps ayant des températures différentes ;
lorsqu’un fluide en mouvement se déplace autour d’un corps ;
lorsqu’un corps reçoit ou émet un rayonnement.
On note Q l’énergie échangée par transfert thermique.
Le transfert thermique se réalise spontanément du corps ayant la température la plus élevée vers le corps ayant la température la plus faible. Pour un système :
si Q > 0, le système reçoit de l’énergie : son énergie interne et sa température augmentent ;
si Q < 0, le système cède de l’énergie : son énergie interne et sa température diminuent.
B) Les modes de transfert thermique
a) La conduction
La conduction thermique est le phénomène qui permet d’avoir une température homogène au sein d’un corps. La conduction se produit par la transmission de proche en proche de l’agitation thermique entre molécules ou atomes, que ce soit pour un solide, un liquide ou un gaz.
b) La convection
La convection correspond à un transfert d’énergie thermique assuré par le mouvement des particules d’un liquide ou d’un gaz. Ceci se réalise si le liquide ou le gaz est en mouvement.
Dans un chauffage central, l’eau chaude transfère de l’énergie thermique au radiateur lors de son déplacement dans le réseau.
c) Le rayonnement
Le rayonnement permet le transfert thermique par propagation d’ondes électromagnétiques. Les ondes électromagnétiques se propagent aussi dans le vide, donc le transfert thermique par rayonnement peut se produire dans le vide et de nombreux milieux.
C) La capacité thermique massique c
La capacité thermique massique c d’un corps pur s’exprime en joule par kilogramme et par kelvin (J.kg–1.K–1) ou en joule par kilogramme et degré Celsius (J.kg–1.°C–1). C’est l’énergie qu’il faut apporter à un kilogramme d’un corps pur pour faire augmenter sa température d’un kelvin ou d’un degré Celsius. Voici quelques valeurs numériques :
Remarque
La capacité thermique des métaux est faible. Il faut leur apporter peu d’énergie pour faire augmenter leur température.
Le transfert d’énergie est de nature thermique, il y aura donc variation de l’énergie interne U du système. Cette variation sera bien proportionnelle à la variation de température du système.
D) L’énergie massique de changement d’état
Le transfert d’énergie thermique peut se faire sans variation de température dans le cas d’un corps pur. La variation de l’énergie interne U est proportionnelle à la masse m changeant d’état.
Remarque
L est positive lorsque le système devient moins ordonné (solide → liquide, liquide → gaz) et négative dans le cas contraire.
E) Le bilan d’une enceinte en régime stationnaire
Pour étudier les transferts thermiques au laboratoire, on utilise des enceintes calorifugées pour éviter les pertes avec le milieu extérieur. Un système placé dans une telle enceinte ne peut pas échanger d’énergie avec le milieu extérieur, il est isolé.
Ainsi, lorsqu’une enceinte est isolée, elle n’échange pas d’énergie avec le milieu extérieur. Son énergie interne U est donc constante.
Les valeurs des transferts thermiques qui se déroulent à l’intérieur de l’enceinte se compensent.
