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Prévision du sens des transferts thermiques

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Objectif : Un système isolé ne subit aucun transfert d'énergie mais ce cas est utopique car les transferts thermiques sont présents à chaque instant en nous (corps et dégagement de chaleur) et autour de nous (réfrigérateur…).

1. Différents transferts thermiques

a. Transfert thermique

L’énergie reçue par un système, sous forme de transfert thermique, est comptée positivement : Q>0 pour le système.
L’énergie cédée par ce système est comptée négativement : Q<0 pour le système.
Quand un système subit une transformation sans transfert thermique : Q=0.

L' énergie du transfert thermique est une grandeur algébrique ; elle s'exprime en Joules.

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.

b. Trois sortes d'effets thermiques

Nous allons prendre des exemples de réaction pour expliquer les trois effets thermiques :

• Réaction exothermique :

Si on dissout des pastilles de soude dans l'eau, la température de l'eau va augmenter : l'énergie chimique de la réaction s'est transformée en énergie thermique donnée au milieu extérieur, l'eau.

Pour étudier les variations d’énergie d’un corps, il est nécessaire de bien délimiter le système : le système réaction a perdu de l'énergie et l'eau en a gagné donc pour l'eau Q>0 et pour la réaction Q<0 : la réaction est exo-thermique, le transfert d'énergie se fait vers l'extérieur.

• Réaction endothermique :

Si on dissout du nitrate d'ammonium dans l'eau, la température de l'eau va diminuer : la réaction a dû, pour se faire, prendre de l'énergie au milieu extérieur, c'est-à-dire l'eau.

Le système réaction a gagné de l'énergie et l'eau en a perdu donc pour l'eau Q<0 et pour la réaction Q>0 : la réaction est endo-thermique, le transfert d'énergie se fait vers l'intérieur.

• Réaction athermique :

Si on laisse un clou en fer en contact avec l'air humide, il rouille : cette réaction se fait quasiment sans changement de température, mais aussi sans changement d'état (la rouille et le fer sont solides) :
pour la réaction Q=0 : la réaction est a-thermique, elle se fait sans échange.

2. Sens du transfert thermique

a. Sens du transfert thermique

Dans tous les exemples de réaction, le transfert s'effectue du corps le plus chaud, c'est-à-dire celui dont la température est la plus élevée, vers le corps le plus froid.

b. Equilibre thermique

Si on mélange de l'eau froide et de l'huile chaude, les liquides ne vont pas se mélanger mais il y aura échange de chaleur de l'huile, la plus chaude, vers l'eau (attention aux projections !) et au bout d'un certain temps, les deux corps se stabiliseront à la même température.
Si deux corps restent suffisamment longtemps en contact, ils finissent par avoir la même température : ils sont en équilibre thermique.

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).

Si le système reçoit de l'énergie, le phénomène est endothermique et Q>0.
Si le système perd de l'énergie, le phénomène est exothermique et Q<0.
Si le système ne reçoit ni ne perd de l'énergie, le phénomène est athermique : Q=0.

Si deux corps, de températures différentes, sont en contact, le plus chaud cédera de l'énergie thermique au plus froid jusqu'à l'équilibre thermique, c'est-à-dire lorsque ces deux corps ont atteint la même température.

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