Effectuer bilans energie sur un système :1er principe thermodynamique

Theme 2 

Chap 2 : effectuer bilans energie sur un système :1er principe thermodynamique.

               Sqc1 : thermodynamique ?[pic 1]

NRJ interne d’1 système

• lrsq T° d’1 systeme macro - ++ , agitat° entités microsco – (atomes …) qui constituent ++ aussi.
• Traduit macro par variat° de nrj interne U du systeme en Joules.
• Nrj interne U d’1 systeme macro resulte des nrj cinétique (liée à agitat° ) & potencielles (liée aux interact° ) des entités micro qui le composent .[pic 2]

Premier principe de la thermodynamique. Transfert thermique, travail.

        L’énergie totale E d’1 système fermé (n’échange pas mat avec l’ext) = somme de son nrj interne U d’origine micros & de son nrj méca Em d’origine macro:

E = U + Em = U + Ec + Epp

Variat° ∆E = Ef – Ei de l’nrj d’1 système= la csqc d’échanges d’nrj de ce système avec l’ext :

∆E = ∆U + ∆Em

Remarque :

Lrsq’1 système = au repos macro ds référentiel d’étude, son nrj méca = cst. La variat° d’nrj totale du système = alors égale à sa variat° d’nrj interne (calculable contrairement à U) :

∆E = ∆U

Les échanges d’nrj peuvent ê réalisés par :

• travail W d’1 ou de pls frc(s) nn conservative(s).

C’est 1 transfert d’nrj qui s’effectue macro de manière ordonnée ; il = lié au déplace- du point d’applicat° d’1 frc s’exerçant sur système.

• 1 transfert thermique Q, => transfert d’nrj ↔  2 systèmes de T° diff.

=> 1 transfert d’nrj s’effectue micro de manière désordonnée, ↔  système & l’ext. 1 diff de T° ↔  2 systèmes induit 1 transfert thermique spontané du système le + chaud vers le système le + froid. Csqc macro: T° du système, voire son état physique change(nt).

1er  principe thermodynamique :

La variat° d’nrj interne d’1 système qui n’échange pas de mat avec l’ext, au repos macro, & qui évolue d’1 état initial à 1 état final, = égal à somme des nrj échangées par le système avec l’ext, par travail &/ou par transfert thermique :

∆E = W + Q <=> ∆Em = 0

∆E, W & Q st en J.

W & transfert thermique Q st comptés positive- s’ils s’effectuent du milieu ext vers système & négative- sinon.

1er principe thermodynamique permet d’établir bilan énergétique d’1 système qui n’échange pas de mat avec l’ext:

• Définir le système au repos macro & écrire 1er  principe ; l’ext = alors reste de l’Univers.
• Relever ts les transferts d’nrj ayant lieu ↔  système & l’ext en repérant leur sens ; leur attribuer un signe.
• Effectuer somme de ts ces transferts : si = positive, l’nrj interne du système a ++.

Capacité thermique d’1 système incompressible.Nrj interne d’un système incompressible.

• Lrsq’1 système incompressible (liquide/solide) = masse constante m, constitué d’1 matériau de capacité thermique massique c, évolue d’un état initial à un état final, la variation de son énergie interne ∆U, est proportionnelle à la variation de sa température ∆T ↔  l’état initial & l’état final :

∆U = Q = m.c.(Tf – Ti) = m.c.∆T = m.c.∆θ

∆U →  J, m →  kg, c →  J.kg-1.K-1, ∆T, Tf & Ti →  K & ∆θ →  °C.

∆U > 0 : le système se réchauffe.

• + T° d’1 système incompressible ++, + l’nrj cinétique micro des entités qui le composent ++ & dc + son nrj interne ++.

• Capacité thermique C d’1 système =le produit de sa capacité thermique massique & de sa masse. C = m.c.[pic 3]

• Capacité thermique massique c d’1 système incompressible = l’nrj absorbée par 1 kg de ce système pr élever sa T° de 1 °C (= 1 K).

Bilan thermique du système Terre- atm / effet serre

• Tt corps à T° emet un rayonne- électromagnétique & peut ê assimilé à corps noir.
• Loi de Stefan- Boltzmann permet d’établir une relat° ↔ le flux thermique surfacique émisΦ & la T° :

-Φ en W.m-2

-σ constante Stefan-B = 5,67.10-8. K-4

-T en K

• rayonne- solaire parvenant jusqu’à Terre = sa source principale d’énergie thermique.
• C^ T° moy de la surface T = stable au fil ans , => surface Terre reçoit en moy autant d’énergie thermique qu’elle n’en émet vers espace par son rayonnement .
• Terre reçoit rayonne- solaire dt flux thermique surfacique moy = de l’ordre de Φs=340 W.m-2
• +- A= 30 % de ce rayonne- = réfléchi sans ê absorbé par atm : cette proposit° = albédo.
• + l’albédo = élevé, + rayonne- solaire = réfléchi & - la surface de la Terre reçoit d’énergie thermique .
• Si 1 prt rayonne- émis par Terre n’était pas absorbée par atm ( principale- ds domaine des IR), T° à la surface serait +- -18°C . Cette absorpt° , essentielle- due à la prs d’eau H2O & de dioxyde de carbone CO2 ds atm , s’appelle effet serre.
• Cet effet de serre nat permet à surface de Terre de récupérer une prt (a=20%) de énergie qu’elle rayonne , contribuant ainsi à son réchauffe- jusqu’à 1 T° moy de 15°C .
• A equilibre thermique , puissance solaire reçue = à puissance perdue par rayonne- :
•                                                [pic 4]
• donc :[pic 5]
• T° terre :

* ++ avec qtt gaz effet serre

* -- si albédo ++ (blancheur surface) .o:noir;1:blanc

[pic 6]

                 SQC 3 : comment la chaleur peut – elle ê echangée ?

Mode de transfert thermique

• les echanges energie par transfert thermique ↔ un systeme & le milieu ext peuvent s’effectuer suivant 3 modes d’1 systeme à un autre :

- conduction : l’energie se propage ds un milieu mat ^g à agitat° thermique des particules , qui se transmet de proche en proche sans déplace- d’ensemble de la matière (principale- ds les solides) ;

- convert° : energie = transportée par déplace- du fluide lui- ^m . Elle peut ê nat si seules la dilatat° & la gravité déplacent le fluide ou forcée si fluide = poussé à se déplacer ( fluides) ;

-rayonne- : tt corps porté à 1 crt T° émet des ondes électromagnétiques (photons) qui peuvent ++ l’energie interne d’autres corps à distance (vide) . Il peut aussi s’agir d’absorpt°.

Doc

• Transfert thermique spontané peut avoir lieu qu’ ↔ des milieux ayant des T° diff ; le sens du transfert = tjr du milieu le + chaud vers le milieu le + froid.

Flux thermique – resistance thermique

• flux thermique Φ correspond à nrj thermique échangée par 1 systeme avec ext par u de temps : [pic 7]
• avec : Φ = flux thermique echangé en W
• Q : nrj thermique échangée en J
• Δ= durée en l’échange en s
• Flux thermique = proportionnel à ecart de T° ↔ le systeme étudié & ext :

formule sur feuille

• Tc : T° de la face la + chaude en K ( ou en C°)
• Tf : T° de la face la + froide en K ( ou en °C)
• Rth : résistance thermique de la paroi en K.W-1

doc 2

• La résistance thermique , qui caractérise l’opposit° d’1 milieu au transfert thermique ↔ 2 points , = 1 grdeur qui dépend :

- épaisseur de la paroi,

- surface d’échange,

- nat du matériau considéré

• Pr 1 cloison parallélépipédique d’aire S & d’épaisseur L, la résistance thermique vaut :

Rth = [pic 9][pic 8]

λ= W .K-1 .m-1

SQC 4 : expliquer effet serre .[pic 10]

Bilan thermique du système Terre-atmosphère. Effet de serre

• Tt corps à T émet 1 rayonne- électromagnétique & peut ê assimilé à 1 corps noir.
• Loi de Stefan-Boltzmann permet d’établir relat° ↔  flux thermique surfacique émis φ et la température T :

φ = σ.T4

φ : flux thermique surfacique émis par un corps → W.m-2

σ : constante de Stefan-Boltzmann égale à 5,67.10-8 W.m-2.K-4

T : du corps en K

• Rayonne- solaire parvenant jusqu’à Terre= sa source principale d’nrj thermique.
• C^ T° moy de surface de Terre= stable au fil ans, =>surface de Terre reçoit en moy autant d’nrj thermique qu’elle n’en émet vers l’espace par son propre rayonne-.
• Terre reçoit un rayonne- solaire dt le flux thermique surfacique moyen =de l’ordre de φs​ = 340 W.m-2.
• +/- A = 30 % de ce rayonne- =réfléchi sans ê absorbé par l’atm : cette proport° =  albédo.
• + albédo = élevé, + rayonne- solaire = réfléchi & - surface Terre reçoit d’nrj thermique.

• Si 1 prt rayonne- émis par la Terre n’était pas absorbée par l’atm (principalement domaine ir), T° à la surface serait -18 °C. Cette absorpt°, essentielle- due à présence  H2​O &CO2​ dans l’atm =l’effet de serre.
• Effet de serre nat permet à surface Terre de récup 1 prt (a = 20 %) de l’nrj qu’elle rayonne, contribuant ainsi à son réchauffe- jusqu’à une T° moy de 15 °C.[pic 11]

A équilibre thermique, la puissance solaire reçue =égale à puissance perdue par rayonne- :