Les différents types de transferts thermiques : par conduction, par convexion ou par rayonnement - Cours de Physique Chimie avec Maxicours

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Les différents types de transferts thermiques : par conduction, par convexion ou par rayonnement

Objectif : Le travail est un mode de transfert d'énergie qui peut modifier la température d'un système. Il existe cependant d'autres modes de transferts d'énergie qui modifient la température ou l'état physique d'un système : les transferts thermiques qui permettent eux aussi à l'énergie d'un système d'évoluer.
1. Système
a. Définition
Pour étudier les variations d'énergie d'un corps, il est nécessaire de bien délimiter le système, c'est-à-dire le domaine d'étude. Tout ce qui n'appartient pas au système est l'extérieur ou milieu extérieur.
b. Expression de l'énergie thermique
L'énergie transférée thermiquement est notée Q. Son unité est le joule (J).
c. Energie reçue, énergie cédée
L'énergie reçue par un système, sous forme de transfert thermique, est comptée positivement (Q > 0) ; l'énergie cédée par ce système est comptée négativement (Q < 0). Quand un système subit une transformation sans transfert thermique (Q = 0).

Un système est dit isolé, s'il n'y a aucun transfert d'énergie (travail, chaleur, énergie rayonnante) entre le système et le milieu extérieur.

Remarque : La température d'un système ne change pas obligatoirement lors d'un transfert thermique avec l'extérieur. Au cours d'un changement d'état (fusion, vaporisation,...), la température du système étudié reste constante mais le système échange de l'énergie avec l'extérieur pour modifier sa structure.

2. La conduction thermique
a. Approche
Le travail mécanique (sous forme de mouvement) peut-être utilisé pour modifier la température d'un système (expérience de Joule).
Lorsque la température d'un système se modifie au contact d'un autre système, on parle de conduction thermique. L'énergie du système est modifiée, il y a bien transfert d'énergie.

Exemples : La glace se réchauffe au contact de l'atmosphère. L'eau d'une casserole sur la cuisinière chauffe au contact du matériau de la casserole. Un métal porté à une température donnée peut se refroidir ou s'échauffer au contact d'un autre métal porté à une température différente.

b. Interprétation moléculaire
C'est l'agitation des molécules d'un système et les chocs entre ces molécules qui sont responsables de la conduction thermique. Il y a interaction entre les molécules du système et l'environnement (milieu extérieur). De l'énergie cinétique est transférée d'une molécule à une autre.

Remarque : Dans le cas des liquides ou des gaz, il s'agit de chocs entre les molécules et de vibrations de particules dans le cas des solides.

3. La convection thermique
Lorsque la modification de température se fait avec déplacement de matière, on parle alors de convection thermique.

Exemple : Quand on chauffe de l'eau liquide dans une casserole, la température de l'eau est modifiée car la casserole, en contact avec l'eau, élève sa température (conduction thermique). L'eau chaude plus « légère » monte alors que l'eau froide descend. Il y a déplacement de matière : c'est la convection, deuxième mode de transfert thermique en plus de la conduction.

4. Le rayonnement
Lorsqu'une source d'énergie qui n'est pas en contact avec un système modifie son énergie, on parle de rayonnement thermique.

Exemple : Le soleil chauffe les corps, c'est le rayonnement. Le soleil (source d'énergie) n'est pas en contact avec le corps qu'il chauffe. La température du corps augmente, grâce à l'énergie lumineuse, donc son énergie aussi : le rayonnement est bien un mode de transfert d'énergie.

L'essentiel

Un mode de transfert thermique est un mode de transfert de l'énergie. C'est un moyen, autre que le travail, de changer la température ou l'état physique d'un système.
L'énergie transférée thermiquement est notée Q. Son unité est le joule (J).

L'énergie reçue par un système, sous forme de transfert thermique, est comptée positivement (Q > 0), l'énergie cédée par ce système est comptée négativement (Q < 0).

– Quand un système subit une transformation sans transfert thermique alors Q = 0.
– Quand l'énergie d'un système au contact d'un autre est modifiée sans déplacement de matière, c'est la conduction thermique.
– Quand l'énergie d'un système au contact d'un autre est modifiée avec déplacement de matière, c'est le phénomène de convection.
– Quand l'énergie d'un corps est modifiée à distance, c'est le rayonnement.

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