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.

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.