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Les transferts thermiques d'énergie

Nombre d'Avogadro

Le nombre d'Avogadro, noté \(\displaystyle{N_A}\), correspond au nombre d'atomes présents dans 12 grammes de carbone 12.

Il sert de définition à la mole puisqu'une mole contient \(\displaystyle{N_A}\) entités avec :

\(\displaystyle{N_A=6,022.10^{23}}\) mol−1

Capacité thermique

La capacité thermique est la quantité d'énergie qu'il faut fournir à un système pour augmenter sa température d'un kelvin. Son unité est le joule par kelvin.

La capacité calorifique C est proportionnelle à la masse m du système. On définit ainsi une capacité thermique massique, notée Cm (en J.kg−1.K−1), telle que :

\(\displaystyle{C=m \cdot C_m }\)

On fait chauffer une masse de 200 grammes d'eau initialement à 20°C jusqu'à une température de 90°C. Sachant que la capacité thermique massique de l'eau vaut 4,18.103 J.kg−1.K−1, la variation d'énergie interne vaut :

\(\displaystyle{\Delta U=m \cdot C_m \cdot \Delta T}\)

\(\displaystyle{\Delta U = 2,00.10^{-1} \times 4,18.10^3 \times \left(90-20\right)}\)

\(\displaystyle{\Delta U=59.10^3}\) J

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Système et échanges énergétiques lors de son évolution

Transfert thermique

Un transfert thermique est un échange d'énergie thermique irréversible qui a lieu d'une source chaude vers une source froide uniquement.

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Transfert thermique

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Description des différents transferts thermiques

Flux thermique

Le flux thermique, noté \(\displaystyle{\Phi}\), est une puissance qui traduit la vitesse du transfert énergétique. Il est défini par la relation suivante :

\(\displaystyle{\Phi=\dfrac{\Delta E_Q}{\Delta t}}\)

Avec :

  • \(\displaystyle{\Phi}\) le flux thermique (en watt (W))
  • \(\displaystyle{\Delta E_Q}\) la variation d'énergie thermique pendant \(\displaystyle{\Delta t}\) (en J)
  • \(\displaystyle{\Delta t}\) la durée du transfert (en s)

Résistance thermique

\(\displaystyle{R_{Th}=\dfrac{\Delta T}{\Phi}}\)

Avec :

  • \(\displaystyle{R_{Th}}\) la résistance thermique du matériau (en K.W−1)
  • \(\displaystyle{\Delta T}\) la différence de température entre les deux surfaces (en K)
  • \(\displaystyle{\Phi}\) le flux thermique à travers la paroi (en W)
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Flux à travers une paroi

Bilan énergétique

Faire un bilan d'énergie consiste à répertorier les échanges énergétiques lors de l'évolution d'un système afin que les apports puissent compenser les pertes.

Le bilan d'énergie d'un système doit mener à l'équation suivante :

\(\displaystyle{\Delta E_{totale}=\Delta E_{apports}-\Delta E_{pertes}=0 \Leftrightarrow \Delta E_{apports}=\Delta E_{pertes}}\)

Le système est alors en régime permanent.

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