Bilans et transferts thermiques : concepts et calculs
La thermodynamique en terminale repose sur la maîtrise des transferts thermiques. On distingue trois modes : conduction, convection et rayonnement. Le flux thermique , exprimé en , quantifie l'énergie circulant par seconde. En régime permanent, il dépend de la différence de température et de la résistance thermique du milieu, selon \Phi = rac{\Delta T}{R_{th}}. La capacité thermique massique permet de relier l'énergie thermique à la variation de température d'un corps : . Ces outils permettent de modéliser l'isolation d'un bâtiment ou l'évolution thermique d'un système fermé.
Le résumé
Comprendre le cours
La thermodynamique en terminale repose sur la maîtrise des transferts thermiques. On distingue trois modes : conduction, convection et rayonnement. Le flux thermique , exprimé en , quantifie l'énergie circulant par seconde. En régime permanent, il dépend de la différence de température et de la résistance thermique du milieu, selon \Phi = rac{\Delta T}{R_{th}}. La capacité thermique massique permet de relier l'énergie thermique à la variation de température d'un corps : . Ces outils permettent de modéliser l'isolation d'un bâtiment ou l'évolution thermique d'un système fermé.
Avant de commencer
Prérequis
Notions de température en et
Principe de conservation de l'énergie
Conversion d'unités (kJ vers J, heures vers secondes)
Le plan
Structure du cours
- 1
Modes de transfert thermique
ConductionConvectionRayonnementTransfert par agitation thermique (solides)
Transfert par mouvement de matière (fluides)
Transfert par ondes électromagnétiques
- 2
Flux thermique et résistance thermique
Définition du fluxLoi de FourierRésistance thermiqueFlux \Phi = rac{Q}{\Delta t}
Résistance R_{th} = rac{\Delta T}{\Phi}
- 3
Bilan énergétique d'un système
Premier principeVariation d'énergie interneConservation de l'énergie
Équilibre thermique et régime permanent
À retenir
Notions clés
Flux thermique
À mémoriserÉnergie thermique transférée par unité de temps.
La chaleur traversant une paroi en seconde : \Phi = rac{Q}{\Delta t}
Résistance thermique
À mémoriserAptitude d'une paroi à s'opposer au passage de la chaleur.
Double vitrage possédant une forte résistance thermique pour isoler une maison.
Capacité thermique massique
À mémoriserÉnergie nécessaire pour augmenter la température d'un kilogramme de substance de ou .
L'eau a une capacité thermique massique de .
En pratique
Exemple résolu
Calcul de la déperdition thermique d'un mur de surface , d'épaisseur , avec une conductivité thermique , entre et .
- 1
Étape 1 : Calculer la résistance thermique R_{th} = rac{e}{\lambda \cdot S} = rac{0,2}{0,5 \cdot 10} = 0,04 K \cdot W^{-1}.
- 2
Étape 2 : Calculer le flux thermique \Phi = rac{\Delta T}{R_{th}} = rac{20 - 5}{0,04} = 375 W.
- 3
Résultat : Le mur perd par seconde vers l'extérieur.
Mémoriser plus vite
Astuces & analogies
Flux thermique et loi d'Ohm
Analogie électrique : Le flux thermique correspond à l'intensité , la différence de température à la tension , et à la résistance électrique : ressemble à .
Transferts thermiques
Conduction = Contact (atomes qui se bousculent), Convection = Courant (matière qui bouge), Rayonnement = Rayons (à distance, même dans le vide).
Ne plus se tromper
Erreurs fréquentes
Confondre (flux) et (énergie thermique).
Le flux est en Watt (), c'est une puissance. L'énergie est en Joules (). Il faut diviser par le temps pour passer de à .
Oublier de convertir la température en Kelvin dans les calculs de variation.
Bien que , il est crucial de toujours utiliser le Kelvin () dans les formules de thermodynamique pour éviter les erreurs lors de manipulations de lois physiques.
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