Fiche de Révision : Température, Énergie thermique, Capacité thermique, Modes de transfert et Flux thermique

Introduction

La thermodynamique est l’étude de la chaleur, de l’énergie et des transformations qu’elles subissent. Dans cette fiche, nous nous intéressons à des notions fondamentales : la différence entre température et énergie thermique, la capacité thermique, ainsi que les modes de transfert de chaleur et le concept de flux thermique. Ces notions sont essentielles pour comprendre comment l’énergie se déplace et se transforme dans un système.

1. Différence entre Température et Énergie Thermique

Température

La température est une grandeur physique qui mesure l’agitation moyenne des particules (atomes, molécules) dans un corps.

• C’est une mesure de l’état énergétique microscopique d’un corps.
• Elle s’exprime en degrés Celsius (°C), Kelvin (K) ou Fahrenheit (°F).
• Elle est une grandeur intensive (ne dépend pas de la taille du corps).

Exemple
Un verre d'eau à 40°C et un autre de 100 mL à 40°C ont la même température.

Énergie Thermique

L’énergie thermique (ou chaleur interne) est la somme totale des énergies cinétiques et potentielles de toutes les particules dans un corps.

• C'est une grandeur extensive, elle dépend de la quantité de matière.
• Plus un corps contient de particules et plus celles-ci ont d’énergie, plus l’énergie thermique est grande.
• Elle s’exprime en joules (J).

Exemple
Un litre d'eau à 40°C contient plus d’énergie thermique qu’un verre de 100 mL à 40°C, même si la température est la même.

Synthèse

2. Capacité Thermique

Définition

La capacité thermique d’un corps est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter sa température d’un degré.

Elle s’exprime en joules par Kelvin (J/K) ou en calories par degré Celsius (cal/°C). La capacité thermique dépend de la nature et de la masse du matériau.

Formule

[Formule mathématique]

• [Formule] : capacité thermique (J/K)
• [Formule] : quantité de chaleur échangée (J)
• [Formule] : variation de température (K ou °C)

Chaque matériau possède une capacité thermique massique [Formule] (J/kg·K), qui est la capacité thermique par unité de masse :

[Formule mathématique]

• [Formule] : masse (kg)
• [Formule] : capacité thermique massique (J/kg·K)

Exemple concret

La capacité thermique massique de l’eau est environ [Formule]. Pour augmenter la température de 2 kg d’eau de 10°C, il faut :

[Formule mathématique]

3. Modes de Transfert Thermique

La chaleur se transmet d’un corps chaud à un corps froid suivant trois modes principaux :

1. Conduction

La conduction thermique est le transfert d’énergie thermique par contact direct entre molécules.

• Se produit dans les solides.
• Exemple : une cuillère chauffée au contact d’une casserole chaude.
• Mécanisme microscopique : transfert d’énergie vibratoire de particules en particules.

2. Convection

La convection thermique est le transfert d’énergie par déplacement de matière (fluides : gaz ou liquides).

• Exemple : l’air chaud qui monte au-dessus d’un radiateur.
• Il peut être naturel (due à la différence de densité et donc de mouvement) ou forcé (ventilateur).

3. Rayonnement

Le rayonnement thermique est le transfert d’énergie par ondes électromagnétiques.

• Ne nécessite pas de milieu matériel.
• Exemple : la chaleur du Soleil reçue sur Terre.
• Énergie transportée sous forme de photons infrarouges.

Diagramme explicatif des modes de transfert

[Diagramme]

4. Flux Thermique

Définition

Le flux thermique est la quantité d’énergie thermique transférée par unité de temps à travers une surface.

Il s’exprime en watts ([Formule]) et est noté [Formule].

Formule

Pour la conduction thermique, la loi de Fourier donne :

[Formule mathématique]

• [Formule] : flux thermique (W)
• [Formule] : conductivité thermique du matériau (W/m·K)
• [Formule] : surface de passage de la chaleur (m²)
• [Formule] : différence de température entre deux points (K ou °C)
• [Formule] : épaisseur ou distance entre les deux points (m)

Le signe négatif indique que la chaleur va de la zone chaude vers la zone froide.

Exemple

Une plaque métallique de 2 m², épaisseur 0,05 m, avec une conductivité thermique de 50 W/m·K, présente une différence de température de 10°C entre ses faces. Le flux thermique est :

[Formule mathématique]

Le flux est de 20 kW dirigé de la face chaude vers la face froide.

5. Liens entre les Concepts

• La température est la cause directe du transfert thermique : un gradient de température ([Formule]) crée un flux thermique.
• L’énergie thermique stockée dans un corps dépend de sa température et de sa capacité thermique.
• La capacité thermique détermine la quantité d’énergie nécessaire pour modifier la température.
• Les modes de transfert expliquent comment cette énergie thermique circule d’un endroit à un autre.
• Le flux thermique quantifie le débit d’énergie transféré, maîtrisant ainsi les échanges entre systèmes.

Synthèse

Conclusion

Comprendre la différence entre température et énergie thermique est fondamental pour analyser les phénomènes thermiques. La capacité thermique relie la quantité de chaleur à la variation de température tandis que les modes de transfert et le flux thermique décrivent concrètement comment la chaleur voyage dans la nature. Ces notions sont essentielles dans de nombreux domaines scientifiques et techniques, de la climatologie à l’ingénierie thermique.

N’hésitez pas à revoir les formules et les exemples pour bien intégrer ces concepts clés !