I- Du microscopique au macroscopique. 1)- Changement d’échelle. 2)- La mole : 3)- La Constante d’Avogadro NA.

II- Variation de l’énergie interne d’un système. 1)- Énergie interne. 2)- Variation d’énergie d’un système. a)- Variation de l’énergie totale d’un système. b)- Cas : l’énergie mécanique du système est constante. c)- Variation d’énergie interne : d)- Exemple de convertisseurs d’énergie. 3)- Capacité thermique.

III- Les modes de transferts thermiques. 1)- Les différents modes de transferts. a)- La conduction. b)-  La convection. c)- Le rayonnement. 2)- Flux et résistance thermique. a)-  Définition du flux thermique : b)- Autre relation : c)- Exercice 17 page 365 : Calculer et exploiter un flux thermique d)- Résistance thermique et conductivité thermique λ d’un matériau.

IV- Établissement d’un bilan énergétique. 1)- Mode opératoire : 2)- Exemple : exercice 19 page 366 : Établir un bilan énergétique.

V- Applications. 1)- QCM :            QCM 2)- Exercices :            Exercices

QCM sous forme de tableau. QCM réalisé avec le logiciel Questy.(pour s'auto-évaluer)

Exercices : énoncé avec correction a)- Exercice 8 page 364 : Prendre conscience de la valeur de NA. b)- Exercice 11 page 364 : Connaître la relation entre ΔU et c. c)- Exercice 12 page 364 : Calculer la variation d’énergie interne d’un système. d)- Exercice 15 page 365 : Illustrer des modes de transferts thermiques. e)-  Exercice 18 page 365 : Calculer une énergie thermique transférée. f)- Exercice 22 page 366 : Calculer une variation de température. g)-  Exercice 23 page 366 : Une ou plusieurs couches ? h)- Exercice 29 page 368 : Un isolant, la laine de verre. i)- Exercice 34 page 370 : Que calor.

I- Du microscopique au macroscopique.

1)- Changement d’échelle.

-  L’échelle de l’infiniment petit, appelée échelle microscopique permet d’étudier les atomes, les molécules et les ions.

-  Elle permet de considérer un atome de fer :

-  Masse d’un atome : m_Fe ≈ 9,3 × 10^–23 g.

-  À l’échelle humaine (notre échelle), c’est-à-dire l’échelle macroscopique, on considère un morceau de fer de quelques grammes.

► Exemple :

-  Si l’on veut réaliser la combustion du fer dans le dioxygène au laboratoire, on peut utiliser un morceau de fil de fer de quelques grammes.

-  On ne travaille pas à l’échelle de l’atome.

-  On travaille à notre échelle, à l’échelle humaine, l’échelle macroscopique.

► Question :

-  quel est le nombre d’atomes de fer N contenus dans un échantillon de fer de masse m = 3,5 g ?

-  Nombre d’atomes de fer contenus dans l’échantillon :

-  .

-  Conclusion : cette valeur est considérable !!!

-  Que représente ce nombre N ?

-  ce nombre représente une quantité de matière.

-  En chimie, la quantité de matière représente un nombre d’entités chimiques, c’est-à-dire, un nombre d’atomes, de molécules ou d’ions.

2)- La mole :

-  Pour compter un grand nombre d’objets, on les regroupe en paquets.

-  Il existe beaucoup d’exemples : les œufs par douzaines, les chaussettes par paires, les rames de papier par 500 feuilles, les bouteilles par six ou douze, …

-  Les entités chimiques comme, les atomes, les molécules et les ions, se comptent aussi par paquet.

-  On appelle mole un paquet d’entités chimiques toutes identiques.

-  La mole est la réunion d'un nombre déterminé d’entités chimiques toutes identiques.

-  Une quantité de référence a été choisie arbitrairement.

-  Elle est donnée par le Journal officiel du 23 décembre 1975.

-  On note : N_A le nombre d’entités dans un paquet.

-  Un tel paquet porte le nom de mole.

-  La mole est une unité de quantité de matière de symbole : mol.

Définition de la mole : - La mole est la quantité de matière d'un système contenant autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 12 g de carbone 12. - Si l'on prend une mole d'atomes de carbone 12, la masse correspondante est de 12 g. Le paquet comprend NA atomes de carbone 12.

-  La détermination de la valeur de N_A fut un grand défi pour la science.

3)- La Constante d’Avogadro N_A.

-  Le nombre N_A est défini par la relation suivante :

-   

-  Par définition, on connaît la masse d’une mole atomes de carbone 12.

-  mais, on a longtemps ignoré les valeurs de N_A et de la masse d’un atome de carbone 12.

-  On doit à Jean Perrin la première détermination de N_A en 1923.

-  Le nombre N_A a été appelé constante d’Avogadro, en hommage à Avogadro, célèbre chimiste et physicien italien (1776 – 1856).

-  Le nombre N_A représente le nombre d’entités élémentaires par mol, on l’exprime en mol^–1.

-  Des mesures récentes indiquent qu’il y a : 6,022137 × 10²³ atomes de carbone 12 dans 12,00 g de carbone 12.

-  On arrondit cette valeur.

-  On écrit :

-  N_A ≈ 6,02 × 10²³ mol^–1

► Conséquence :

-  Une mole, est un paquet de 6,02 × 10²³ entités chimiques identiques.

► Exemples :

-  Une mole d’atomes de fer contient 6,02 × 10²³ atomes de fer.

-  Une mole de molécules d’eau contient 6,02 × 10²³  molécules d’eau.

-  Une mole d’électrons contient 6,02 × 10²³  électrons

-  Une mole d’ions chlorure contient 6,02 × 10²³  ions chlorure.

 La constante d’Avogadro fait le lien entre les échelles microscopique et macroscopique.

II- Variation de l’énergie interne d’un système.

1)- Énergie interne.

► Échelle microscopique :

-  À l'échelle microscopique, les particules constituant le système sont animées de mouvements individuels.

-  Cette agitation augmente avec la température, on l'appelle l'agitation thermique.

-  Plus la température d’un système est élevée, plus l’agitation thermique des particules qui le constituent est grande et plus son énergie cinétique microscopique est grande.

-  Au niveau microscopique, à toute liaison entre deux particules du système est associée une énergie potentielle microscopique.

-  L’énergie potentielle microscopique est due aux interactions gravitationnelle, électromagnétique, forte et faible entre les particules qui constituent le système.

-  On distingue les énergies potentielles microscopiques chimique, électrique, magnétique et nucléaire.

-  L’énergie interne est la somme des énergies cinétique et potentielle microscopiques, c’est l'énergie liée à sa structure interne microscopique, notée U.

► Échelle macroscopique :

-  L’énergie mécanique E_m d’un système macroscopique résulte de contributions macroscopiques.

-  L’énergie mécanique d’un système est la somme de son énergie cinétique et de son énergie potentielle.

-  Relation :

-  E_m = E_C +  E_P.

-  Unité : joule (J)

► Énergie totale d’un système :

-  L’énergie totale d’un système est la somme de son énergie interne et de son énergie mécanique.

-  E_tot = E_m +  U

2)- Variation d’énergie d’un système.

a)- Variation de l’énergie totale d’un système.

-  La variation d’énergie totale du système est la somme de la variation de son énergie interne et de la variation de son énergie mécanique :

-  ΔE_tot = ΔE_m +  ΔU

b)-  Cas : l’énergie mécanique du système est constante.

-  Lorsque l’énergie mécanique du système se conserve, la variation d’énergie totale du système est due uniquement à la variation de son énergie interne.

-  Si ΔE_m = 0

-  ΔE_tot =  ΔU

c)- Variation d’énergie interne :

-  La variation d’énergie interne ΔU d’un système est la conséquence d’échanges d’énergie avec l’extérieur par travail W ou par transfert thermique Q.

-  Si l’énergie mécanique du système est constante : ΔE_m = 0

-  ΔE_tot =  ΔU = W + Q

-  Le travail W et le transfert thermique Q sont des modes de transfert d’énergie.

-  Leur signe dépend du sens du transfert entre le système et le milieu extérieur.

 Par convention :

-  Le travail et le transfert thermique sont comptés positivement s’ils sont reçus par le système.

-  Le travail et le transfert thermique sont comptés négativement s’ils sont cédés par le système.

d)-  Exemple de convertisseurs d’énergie.

-  Le radiateur électrique convertit de l’énergie électrique en énergie thermique.

 

 

-  Le système (Radiateur électrique) reçoit un travail électrique : W > 0

-  Le système (Radiateur électrique) cède un transfert thermique : Q < 0

3)- Capacité thermique.

► Transfert par chaleur produisant une élévation de température (sans changement d’état) :

-  La variation d’énergie interne d’une masse m de substance dont la température varie d’une valeur initiale θ_i à une valeur finale θ_f, sans changement d’état, est donnée par la relation suivante :

► Remarque 1 :

-  On peut travailler avec la température absolu T en kelvin (K)

 

► Remarque 2 :  

- ΔT = Δθ

► Remarque 3 :

-  La capacité thermique massique c d’une substance correspond au transfert thermique nécessaire pour faire varier de 1 ° C (ou 1 K) une masse de 1 kg de substance.

-  Unité : (J.kg ^{– 1}.° C^{– 1}) ou (J.kg ^{– 1}.K^{– 1})

► Exemple :

- Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour obtenir 80 L d’eau à 80 ° C à partir de 80 L d’eau à 20 ° C.

- On donne : masse volumique de l’eau : ρ = 1,0 kg / dm³ et c = 4,18 kJ.kg ^{– 1}.° C^{– 1} .

- Quantité de chaleur nécessaire :

- ΔU = Q = m . c . ( θ_f   –  θ_i )   =>  Q = 80 × 4,18 × (80 – 20)  =>  Q = 2,0 × 10 ⁴  kJ.

► Remarque 4 :

-  Si θf >  θ_i   =>  ΔU = Q >  0, la substance reçoit de l'énergie du milieu extérieur.

-  Si θ_f <  θ_i   =>  ΔU = Q <  0, la substance cède de l'énergie au milieu extérieur.

III- Les modes de transferts thermiques.

1)- Les différents modes de transferts.

a)- La conduction.

-  Si l'on chauffe l'extrémité d'une barre métallique, on remarque que la température de l'autre extrémité augmente très vite.

-  Les particules de la partie chaude communiquent une partie de l'agitation thermique aux particules voisines et ainsi de suite.

-  L'agitation thermique se transmet de proche en proche de la région chaude vers la région froide sans transport de matière.

 

-  La conduction se produit principalement dans les solides

b)-  La convection.

-  Dans les fluides, le transfert de chaleur se fait grâce aux courants de convection.

-  Exemple :

-  L'air chaud est plus léger que l'air froid.

-  L'air chaud s'élève et en s'élevant, se refroidit en échangeant de l'énergie avec les couches supérieures.

-  Le transfert par convection se fait avec transfert de matière.

 

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/08/Convection.gif

-  La convection se produit principalement dans les fluides (liquides et gaz).

c)- Le rayonnement.

-  L'énergie transportée sous forme de radiations électromagnétiques est appelée énergie rayonnante.

-  Elle est notée W_R. Elle s'exprime en joule (J).

-  Tout corps chaud émet des radiations électromagnétiques qui transportent de l'énergie.

-  Le rayonnement ne nécessite pas de milieu matériel, il s’effectue même dans le vide.

 

2)- Flux et résistance thermique.

a)- Définition du flux thermique :

-  On considère un matériau dont les deux faces parallèles numérotées 1 et 2, de même surface S, sont à des températures différentes T₁ et T₂, telles que T₁ > T₂.

-  La paroi plane, dont deux faces sont à des températures différentes T₁ et T₂, est le siège d’un transfert thermique par conduction.

-  La capacité d’un matériau, à réaliser plus ou moins rapidement ce transfert, est liée à sa résistance thermique R_th.

-  L’énergie Q est transférée de la face 1 vers la face 2 pendant la durée Δt.

-  Le flux thermique φ (phi) traversant ce matériau est alors défini par la relation :

-  Le flux thermique a la dimension d’une puissance : C’est une énergie par unité de temps.

-  Le flux thermique est l’énergie transférée à travers une paroi par unité de temps.

-  Ce transfert se fait spontanément de la source chaude vers la source froide.

-  Ce transfert est naturellement irréversible.

b)-  Autre relation :

-  Si l’écart de température T₁ – T₂ est maintenu constant, le flux thermique est donné par la relation suivante :

 

-  En quelle unité s’exprime la résistance thermique R_th ?

-  La résistance thermique s’exprime en (K . W^–1) ou (° C . W^–1).

 

 

-  Remarque :

-  Plus la résistance thermique du matériau est élevée, plus le flux thermique est faible à travers le matériau.

-  Ce dernier empêche le transfert d’énergie à travers lui ; C’est un bon isolant thermique.

-  Un matériau qui a une résistance thermique élevée est un bon isolant thermique.

c)- Exercice 17 page 365 : Calculer et exploiter un flux thermique

 

d)-  Résistance thermique R_th et conductivité thermique λ d’un matériau.

-  La résistance thermique R_th d’une paroi dépend :

-  De la conductivité thermique λ du  matériau ;

-  De son épaisseur e ;

-  Et de la surface S traversée par le flux.

-  Elle est proportionnelle à l’épaisseur e et inversement proportionnelle à la conductivité thermique λ et à la surface S.

-  Relation :

 

-  La conductivité thermique caractérise un matériau :

► Exemples :

► Cas de plusieurs parois accolées :

-  Lorsque plusieurs parois sont accolées, la résistance thermique totale R_{th tot} est égale à la somme des résistances thermiques de chaque paroi.

-  Relation :

-   

-  Avec : R_{th tot}  = R_th1 + R_th2 + R_th3  + R_th4 + …

IV-  Établissement d’un bilan énergétique.

1)- Mode opératoire :

► Pour établir un bilan énergétique, il faut :

-  Définir le système macroscopique étudié ;

-  Relever la nature des transferts énergétiques (par travail ou par transfert thermique) entre le système et le milieu extérieur ;

-  Repérer le sens des transferts et leur attribuer un signe positif si le système reçoit de l’énergie ou négatif si le système cède de l’énergie.

2)- Exemple : exercice 19 page 366 : Établir un bilan énergétique.

 

V- Applications.

1)- QCM : pour chaque question indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).

QCM sous forme de tableau. QCM réalisé avec le logiciel Questy.(pour s'auto-évaluer)

 

2)- Exercices :  Exercices : énoncé avec correction

a)-  Exercice 8 page 364 : Prendre conscience de la valeur de N_A.

b)-  Exercice 11 page 364 : Connaître la relation entre ΔU et c.

c)-  Exercice 12 page 364 : Calculer la variation d’énergie interne d’un système.

d)-  Exercice 15 page 365 : Illustrer des modes de transferts thermiques.

e)-  Exercice 18 page 365 : Calculer une énergie thermique transférée.

f)-  Exercice 22 page 366 : Calculer une variation de température.

g)-  Exercice 23 page 366 : Une ou plusieurs couches ?

h)-  Exercice 29 page 368 : Un isolant, la laine de verre.

i)-  Exercice 34 page 370 : Que calor.