Echanges thermiques et principales notions de thermodynamique

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Thermodynamique, ce mot effraie tant d’étudiants qui, bien souvent, n’en ont jamais entendu parler avant les études post-bac. Pourtant, cette discipline mal connue nous entoure dans notre quotidien sous forme de réfrigérateurs, de cuisson d’œufs ou encore de moteurs de voiture.

Définitions

Dans le jargon scientifique, on trouve la définition suivante : la thermodynamique est la science de la force motrice produite par la chaleur. Elle étudie la conversion d’énergie et les échanges d’énergie entre des systèmes et leur environnement.

La thermodynamique classique cherche à définir les propriétés et les interactions d’un système macroscopique avec le milieu extérieur. Par exemple on peut calculer la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer 1L d’eau de 20°C à 100°C, puis une fois celle-ci en ébullition on peut calculer la quantité de chaleur échangée avec l’air ambiant.

Mais alors, la chaleur dans tout ça, qu’est-ce que c’est exactement ? On la définit comme le transfert de l’énergie thermique ou plus spécifiquement de l’agitation thermique entre des particules. Cette agitation thermique peut se mesurer ; c’est la température :

E=f(KB.T)

E l’énergie en Joule (J) est fonction de :

KB la constante de Boltzmann - KB=1,38.E-23J/K ;

T la température en Kelvin (K)

Ainsi, plus il y a d’agitation thermique, plus la température est élevée.

Unités de mesure de température :
L’unité la plus répandue est le degré Celsius °C défini tel que l’eau gèle à 0°C et bout à 100°C à pression ambiante.
Aux Etats-Unis, c’est le degré Fahrenheit °F qui est utilisé. Il se calcule de la façon suivante : T(°C)=[T(°F)-32]/1.8
Enfin, dans le système international, l’unité est le Kelvin : 0 K (-273.15°C) est le zéro absolu ; c’est la température la plus basse que l’on puisse trouver dans l’univers.

Premier principe de la thermodynamique

Considérons une fourchette en argent héritée de vos arrières grands-parents. Pour la maintenir en état, il est nécessaire de la nettoyer régulièrement en frottant avec un chiffon. Ce geste provoque un léger échauffement de la fourchette à l’endroit où elle a été frottée : vous venez de transformer de l’énergie mécanique (travail fourni par votre bras) en chaleur.
Maintenant, à la suite d’un bon repas, vous laissez tremper la fourchette dans de l’eau chaude pour faciliter son nettoyage. En la sortant de l’eau, la fourchette est chaude : il y a eu transfert de chaleur par contact thermique entre l’eau et la fourchette.

La variation de l’énergie de la fourchette ΔE est donc due soit à un travail W soit à un échange de chaleur Q. On peut aisément imaginer un système dans lequel on réalise à la fois un travail et un échange de chaleur. C’est le premier principe de la thermodynamique :

ΔE=ΔQ+ΔW

ce qui signifie simplement qu’il y a conservation de l’énergie d’un système subissant une transformation dans un système isolé.

On introduit la fonction enthalpie H qui permet de déterminer la quantité de chaleur échangée dans un système (par exemple entre la fourchette et l’eau chaude).

Autres principes de la thermodynamique
La thermodynamique est un domaine vaste nécessitant l’apport de nouvelles fonctions. Le deuxième principe de la thermodynamique introduit la notion de réversibilité des transformations. En effet, reprenons l’exemple de la fourchette plongée dans l’eau chaude. Il y a un transfert de chaleur de l’eau à la fourchette jusqu’à ce que les deux températures s’équilibrent et soient égales. Rien dans le premier principe de la thermodynamique n’empêche la transformation inverse, c’est-à-dire que la fourchette se refroidisse en cédant sa chaleur à l’eau... On parle de transformation irréversible ; le transfert de chaleur ne peut avoir lieu que de la source chaude à la source froide et non inversement (énoncé de Clausius).
Sur le même principe, il est impossible de transformer intégralement en travail de la chaleur prélevée à une source d’énergie (énoncé de Kelvin).
La fonction entropie S a donc été introduite, permettant de connaître le sens d’une transformation.
Pour approfondir vos connaissances, vous pouvez consulter toutes sortes d’articles détaillés sur internet, tel que :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Princi...
http://www-ipst.u-strasbg.fr/cours/...

Les transferts thermiques

Lorsque l’on met en contact 2 corps de températures différentes, que se passe-t-il ? Un échange de chaleur a lieu entre les 2 corps dans un sens particulier : le corps le plus chaud cède de la chaleur au corps le plus froid.

Lorsque vous versez du thé bien chaud dans votre tasse, celle-ci se réchauffe rapidement. En même temps, la température du thé diminue doucement car sa chaleur est transférée à la tasse et à l’air. Pour accélérer le refroidissement du thé, vous le brassez avec une petite cuillère. Si vous attendez suffisamment longtemps, la tasse et le thé seront à température ambiante ; le système « tasse+thé+air » sera à l’équilibre.
Devenu froid, vous laissez votre tasse sur la table se trouvant en plein soleil. Votre thé va se réchauffer doucement de quelques degrés.

Vous venez de faire l’expérience des 3 transferts thermiques : conduction (contacts thé-tasse-air), convection (brassage avec la cuillère) et rayonnement (soleil sur la tasse).

La conduction
La conduction thermique est la propagation de la chaleur dans un corps ou dans plusieurs corps en contact dans un milieu dans lequel aucun mouvement ni déplacement n’a lieu. On parle de transmission de l’agitation thermique -définie plus haut- de molécules en molécules.

Les matériaux qui nous entourent sont plus ou moins bon conducteurs thermiques. Généralement, les métaux conduisent bien la chaleur alors que les plastiques et les céramiques sont de mauvais conducteurs thermiques ; on parle dans ce cas d’isolants thermiques.
L’air, par exemple, est un bon isolant. C’est la raison pour laquelle il est utilisé dans les doubles vitrages, entre les deux vitres. L’eau, par ailleurs, est meilleur conducteur thermique que l’air.

La capacité d’un élément (matériau, gaz) à conduire la chaleur s’exprime par une valeur appelée la conductivité thermique. Cette constante caractéristique de l’élément considéré s’exprime en Watt par mètre par Kelvin (W.m-1.K-1).
Des valeurs de conductivités thermiques sont données sur le lien suivant :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_...

La convection

La convection caractérise la propagation de la chaleur dans un fluide (gaz ou liquide) dont les molécules sont en mouvement.
On distingue la convection naturelle et la convection forcée :

dans le cas de la convection naturelle, la variation de température d’un fluide entraine des mouvements des molécules de ce fluide
Exemple : chauffage de l’eau pour la cuisson des pâtes, vent et formation de nuages, mouvement de l’air autour d’un radiateur
lors de la convection forcée, le mouvement des molécules est provoqué par un procédé mécanique (pompe, ventilation)
Exemple : chauffage du fluide à l’intérieur d’un radiateur, four à convection

Le rayonnement
Le rayonnement est un transfert de chaleur ne nécessitant aucun support de matière, c’est-à-dire pouvant s’effectuer dans le vide. Ce sont les photons qui, en se propageant, transfèrent la chaleur. L’exemple le plus connu est le rayonnement du soleil sur la terre.

Tout corps émet des rayonnements qui se propagent en ligne droite. En arrivant sur un autre corps, ces rayons peuvent être réfléchis, transmis, ou absorbés (souvent les trois cas sont observés). C’est l’absorption de ces rayons qui provoque le réchauffement d’un corps.
Un grand feu de camp nous a tous déjà réchauffé lors d’une fraiche soirée d’été. Un mur en plein soleil la journée restitue la chaleur emmagasinée à la tombée de la nuit. Voilà deux exemples de transfert thermique par rayonnement.

La notion de froid peut parfois être mal interprétée. Le froid est une sensation qui se caractérise par une absence de chaleur. Les vêtements que l’on porte en hiver empêchent la chaleur corporelle de s’évacuer. « Produire du froid » n’est pas une formulation physiquement exacte ; on devrait plutôt parler de « retrait de chaleur ».

Quelques astuces thermodynamiques

Astuce n°1 : comme vous le savez peut-être, le réfrigérateur, pour refroidir vos aliments, prend la chaleur de ceux-ci pour la restituer à l’extérieur. Pour ceci, un fluide frigorigène circule en circuit fermé grâce à une pompe. C’est la mise en route de cette pompe -liée à un thermostat- qui consomme de l’énergie.
Afin de réduite votre consommation d’électricité, attendez plutôt que votre plat soit à température ambiante avant de le mettre dans votre réfrigérateur. De même, à chaque ouverture de sa porte, une quantité importante de chaleur y entre. Évitez donc les ouvertures répétées ; groupez tout ce que vous avez besoin de rentrer dans votre réfrigérateur avant son ouverture. Enfin, positionnez le afin qu’il reçoive au minimum les rayons du soleil.

Astuce n°2 : c’est l’été, il fait 35°C à l’ombre. Vous roulez en voiture, votre climatisation est en panne et l’eau de votre bouteille est chaude. Comment rafraichir votre eau tout en continuant votre route ? Vous avez besoin d’un morceau de tissu (suffisamment grand pour l’enrouler autour de la bouteille) et d’un peu de votre eau.
Mouillez le tissu, enroulez-le autour de la bouteille, ouvrez votre fenêtre et tenez le tout à l’extérieur de la voiture qui avance. Pour s’évaporer, l’eau qui est sur le tissu a besoin d’énergie ; c’est l’eau de la bouteille qui lui fournit cette énergie en restituant sa chaleur.
Quand le tissu sera sec, l’eau de votre bouteille sera fraiche.