Transferts thermiques

Les modes de transfert thermique

Il existe trois modes essentiels de transfert thermique : la convection, la conduction et le rayonnement.

1. Transfert thermique par convection

Ce mode de transfert concerne les liquides et gaz et implique un mouvement de matière.

2. Transfert par conduction

Ce mode de transfert concerne les solides et correspond à un transport énergétique de proche en proche.

3. Transfert par rayonnement

Ce mode de transfert utilise les ondes électromagnétiques.

Caractéristiques du transfert thermique

Un transfert thermique est irréversible et a lieu spontanément du système de plus haute température $\rm T_c$, appelé source chaude, vers le système de plus basse température $\rm T_f$, appelé source froide.

Flux thermique

Le flux thermique $\rm \Phi$ à travers une surface est la puissance thermique qui la traverse. Ce flux évalue la vitesse du transfert thermique $\rm Q$ pendant une durée $\Delta t$. Il va spontanément de la source chaude vers la source froide :

$\boxed{\Phi = \dfrac{\rm Q}{\Delta t}}\left|\begin{array}{lll} \Phi \text{ en watt (W)}\\
\Delta t \text{ en seconde (s)}\\
\text{Q en joule (J)}\end{array}\right.$

Pour une paroi plane dont les deux faces sont à la température $\rm T_1$ et $\rm T_2$ avec $\rm T_1 > T_2$, traversée par un flux thermique $\Phi$, la résistance thermique $\rm R$ est définie par :

$\boxed{\Phi = \dfrac{1}{\rm R_{th}}\Delta T}\left|\begin{array}{lll}\Phi \text{ en watt (W)}\\ \text{T en K ou °C}\\ \rm R_{th}\text{ en } K.W^{-1}\end{array}\right.$

Résistance thermique

Pour une paroi plane, la résistance thermique dépend de :

• Son épaisseur $\rm e$
• Sa surface $\rm S$
• Sa conductivité thermique $\lambda$ (qui est associée à la nature du matériau)

$\boxed{\rm R_{th} = \dfrac{e}{\lambda \times S}}\left|\begin{array}{lll}\text{e en m}\\ \text{S en } \rm m^2\\
\lambda \text{ en } \rm W.m^{-1}.K^{-1}.\end{array}\right.$

Lorsque plusieurs parois sont accolées, la résistance thermique équivalente est égale à la somme des résistances thermiques.

EN RÉSUMÉ

Objectif

Comprendre ce qu'étudie la thermodynamique et connaître les grandeurs et principes fondamentaux.

Pourquoi c'est important ?

• Permet de comprendre et optimiser le fonctionnement des moteurs, turbines, réfrigérateurs, centrales électriques, etc.
• Indispensable pour étudier les gaz, liquides, réactions chimiques.
• Utilisée en sciences de l'ingénieur, météorologie, chimie, astronomie.

Petit rappel

• La thermodynamique est la branche de la physique qui étudie les échanges d'énergie (chaleur, travail) et la transformation de la matière.
• Elle s'intéresse aux systèmes (objets, gaz, machines…) et à leurs interactions avec l'environnement.
• Elle repose sur 4 lois fondamentales qui encadrent les transformations énergétiques.

🔧 Les étapes pour assurer

1. Les grandeurs fondamentales

2. Les lois de la thermodynamique

• Loi zéro : Équilibre thermique

Si deux systèmes sont en équilibre thermique avec un troisième, alors ils sont en équilibre entre eux.

Conséquence : permet de définir la température et d'utiliser les thermomètres.

• 1re loi : Conservation de l'énergie

La variation interne de l'énergie interne est égale à la différence entre la chaleur reçue et le travail fourni :

$$\Delta U = Q - W$$

Où :

• $\Delta U$ : variation de l'énergie interne
• $Q$ : chaleur reçue par le système
• $W$ : travail fourni par le système

La quantité totale d'énergie est constante.

• 2e loi : L'entropie (grandeur physique qui mesure le degré de désordre ou le nombre de façons possibles d'organiser un système à l'échelle microscopique)

L'entropie totale d'un système isolé augmente au cours d'une transformation réelle. Elle ne diminue jamais.

Conséquence : il existe un sens privilégié pour les phénomènes naturels (ex. la chaleur va du chaud vers le froid).

• 3e loi : Le zéro absolu

L'entropie d'un cristal parfait est nulle à la température du zéro absolu ($0 \mathrm{~K}$).

3. Équation des gaz parfaits

• Définition

Un gaz parfait est un gaz hypothétique dont les particules :

• Sont considérées comme ponctuelles → leur volume est négligeable par rapport au volume du récipient.
• N'interagissent pas entre elles → pas de forces d'attraction ou de répulsion (sauf lors de collisions).
• Subissent uniquement des collisions élastiques avec les parois et entre elles (pas de perte d'énergie).

• Équation d'état :

$$PV = nRT$$

Où :

• $P$ : pression du gaz en pascals (Pa)
• $V$ : volume en mètres cube ($\mathrm{m^3}$)
• $n$ : quantité de matière en moles (mol)
• $R$ : constante universelle des gaz parfaits, $R = 8{,}314 \mathrm{~J \cdot mol^{-1} \cdot K^{-1}}$
• $T$ : température en kelvins (K)

❌ On évite absolument

• Confondre la chaleur $Q$ et la température $T$.
• Oublier que $W$ et $Q$ peuvent être positifs ou négatifs selon la convention choisie.
• Penser que l'énergie peut être créée ou détruite (elle se transforme).

✅ On valide

• Identifier le type de système (ouvert, fermé, isolé).
• Vérifier que toutes les grandeurs sont en unités SI.
• Appliquer la 1ʳᵉ loi pour suivre les échanges d'énergie.