Premier principe de la thermodynamique et transferts thermiques

Cette page approfondit le premier principe de la thermodynamique et introduit les concepts de transferts et flux thermiques.

Le premier principe s'applique à un système fermé $sans échange de matière$ et au repos à l'échelle macroscopique. Il stipule que la variation d'énergie interne d'un tel système est égale à la somme des transferts d'énergie sous forme de travail $W$ et de transfert thermique $Q$.

Formule: ΔU = Q + W

Les transferts thermiques peuvent se faire selon trois modes :

1. La conduction : transfert par contact direct sans déplacement macroscopique de matière.
2. La convection : transfert par mouvement de matière dans un fluide.
3. Le rayonnement : transfert par ondes électromagnétiques.

Exemple: Dans une maison, la chaleur se transmet par conduction à travers les murs, par convection dans l'air, et par rayonnement depuis les radiateurs.

La capacité thermique $C$ d'un système quantifie sa capacité à stocker de l'énergie thermique. Elle est liée à la variation de température par la relation :

Formule: ΔU = Q = C × ΔT = m × c × ΔT

où m est la masse et c la capacité thermique massique.

Ces concepts sont essentiels pour comprendre les exercices corrigés sur le premier principe de la thermodynamique et pour résoudre des problèmes pratiques en thermodynamique.

Flux thermiques et résistance thermique

Cette page se concentre sur les concepts de flux thermiques et de résistance thermique, qui sont cruciaux pour comprendre les applications pratiques du premier principe de la thermodynamique.

Le flux thermique $φ$ représente la vitesse de transfert thermique entre deux milieux. Il est défini comme le transfert thermique Q par unité de temps :

Formule: φ = Q / Δt

La résistance thermique $R$ d'un matériau caractérise son opposition au flux thermique. Plus la résistance thermique est élevée, plus le flux thermique est faible.

Exemple: Une maison bien isolée a une résistance thermique élevée, ce qui ralentit la perte de chaleur en hiver.

La relation entre la résistance thermique et les caractéristiques du matériau est donnée par :

Formule: R = e / $λ × S$

où e est l'épaisseur, λ la conductivité thermique, et S la surface.

Ces concepts sont particulièrement importants pour comprendre les transferts thermiques par conduction et pour résoudre des problèmes d'isolation thermique.

Highlight: La compréhension des flux et résistances thermiques est essentielle pour optimiser l'efficacité énergétique des bâtiments et des systèmes thermiques.

Lois thermiques : Stefan-Boltzmann et applications

Cette page présente la loi de Stefan-Boltzmann et son application à l'étude du bilan thermique de la Terre, illustrant ainsi une application concrète du deuxième principe de la thermodynamique.

La loi de Stefan-Boltzmann décrit le rayonnement thermique émis par un corps en fonction de sa température absolue :

Formule: φ = σ × T⁴

où φ est le flux thermique par unité de surface, σ la constante de Stefan-Boltzmann, et T la température absolue.

Exemple: Cette loi est utilisée pour estimer la température de surface des étoiles à partir de leur luminosité.

Application au bilan thermique de la Terre :

1. Le flux solaire moyen reçu au sommet de l'atmosphère est de 1368 W/m².
2. Ce flux est réparti sur toute la surface de la Terre, donnant un flux moyen de 342 W/m².
3. En considérant la Terre comme un corps noir en équilibre thermique, on peut estimer sa température théorique.

Calcul: T = $342 / (4 × 5,67 × 10⁻⁸$)¹/⁴ ≈ 279 K ≈ 6°C

La température moyenne réelle de la Terre $15°C$ est supérieure à cette estimation, ce qui s'explique par l'effet de serre.

Highlight: Cette application de la loi de Stefan-Boltzmann illustre l'importance des transferts thermiques par rayonnement dans les phénomènes climatiques à grande échelle.

Page 5 : L'Albédo et l'Effet de Serre

Cette page explique les phénomènes de l'albédo et de l'effet de serre terrestre.

Definition: L'albédo représente la proportion d'énergie solaire réfléchie par la Terre vers l'espace.

Highlight: La Terre réfléchit 30% de l'énergie reçue $albédo = 0,30$.

Vocabulary: Effet de serre - Phénomène naturel de réchauffement dû à l'absorption des rayons infrarouges par certains gaz atmosphériques.

Énergie interne et premier principe de la thermodynamique

Le premier principe de la thermodynamique est un concept fondamental qui régit les échanges d'énergie dans un système thermodynamique. Cette page introduit les notions clés nécessaires à sa compréhension.

L'énergie interne $U$ d'un système est définie comme la somme des énergies microscopiques des particules qui le composent. Elle comprend l'énergie cinétique microscopique, liée à l'agitation thermique, et l'énergie potentielle microscopique, liée aux interactions entre particules.

Définition: L'énergie interne U = Ec,micro + Ep,micro

L'énergie totale d'un système inclut également les énergies macroscopiques $cinétique et potentielle$ si le système est en mouvement ou en hauteur.

Formule: Etot = Ec,macro + Epp,macro + U

Pour un système au repos à l'échelle macroscopique, la variation d'énergie totale se réduit à la variation d'énergie interne :

Highlight: ΔEtot = ΔU

Cette notion est cruciale pour comprendre le premier principe de la thermodynamique, qui sera développé dans la suite.