Définitions sur la thermodynamique

La conductivité thermique

La conduction thermique, également appelée diffusion thermique, correspond à un mode de transfert thermique qui est provoqué par la présence d'un gradient de température entre deux régions qui composent un même milieu ou alors entre deux milieux qui sont en contact direct. Il va alors y avoir, contrairement à la convection, un transfert d'énergie thermique sans déplacement global de matière à l'échelle macroscopique. Il est alors possible d'interpréter ce mode de transfert thermique comme étant la transmission de proche en proche de l'agitation thermique. Autrement dit, un atome, voire une molécule, va céder une partie de son énergie cinétique à un atome, ou une molécule, qui est à son voisinage.

Comment se chauffer ?
On utilise des matériau avec une bonne conductivité thermique dans les radiateurs des maisons. Qu'ils soient électriques ou à eau, ces derniers doivent transmettre leur chaleur à l'air ambiant.

Le transfert thermique

Ce qu'on appelle transfert thermique en sciences est plus couramment appelé chaleur dans la vie quotidienne. Un transfert thermique correspond à l'un des modes d'échange d'énergie thermique entre deux systèmes. Dans le cas du double vitrage, on parlera du système extérieur  et du système intérieur (la maison). Cela correspond à une notion fondamentale de la thermodynamique et, contrairement au travail, les transferts thermiques correspondent à un bilan de transferts d'énergie dits microscopiques et désordonnées.

Il est possible de distinguer trois type de transfert thermique, tous pouvant coexister :

  • La conduction correspond à la diffusion progressive de l'agitation thermique dans la matière ;
  • La convection correspond au transfert thermique qui accompagne des déplacements macroscopiques de la matières ;
  • Et le rayonnement qui correspond à la propagation de photons.

Ainsi, la quantité de chaleur, notée Q et exprimée en joule, correspond à la quantité d'énergie qui sera échangée par le moyen de ces trois différents type de transfert. Une convention indique alors que, lorsque Q > 0, on dit que le système reçoit de l'énergie. De plus, il peut être intéressant de retenir que la thermodynamique fait appel au concept de chaleur afin de mettre en place le premier mais aussi de deuxième principe de la thermodynamique.

Malgré tout cela, il reste de nombreuses ambiguïtés mais également de nombreuses confusions qui s'entretiennent. En effet,  malgré le sens que l'on accorde à chaleur dans la vie quotidienne, le principe de chaleur au sens thermodynamique du mot n'a aucun lien avec la température. Cependant, il reste vrai que les transferts thermiques spontanées se font toujours du système le plus élevé en température vers le système le moins élevé en température même s'il reste possible de provoquer l'inverse grâce à une machine thermique comme un réfrigérateur.

Il est d'ailleurs intéressant de noter que, lorsqu'il y a un changement d'état, le corps pur ne changera pas de température bien qu'il échange de l'énergie sous forme de chaleur.

Le choc thermique

Le choc thermique est un événement qui engendre des contrainte interne au sein des matériaux et qui peut donc les amener à éclater, même pour des matériaux durs et rigides. On peut illustrer cela avec l'exemple du verre qui est très sensible au choc thermique. En effet, en cas de choc thermique brutal, si le verre présente un impact ou une imperfection, celui-ci peut éclater et provoquer un bris de glace. C'est pour cela qu'il faut être prudent à l'état de son pare-brise en été avec la climatisation ou en hiver avec le chauffage !

Mais la roche est également un matériau sensible au choc thermique. En effet, dès la préhistoire, on a utilisé le phénomène de choc thermique afin de chercher des silex ou encore pour exploiter divers minerais de métaux. On appelle cela le dépilage par le feu, on utilisait cette méthode dans les mines anciennes.

Qu'est-ce qu'un choc thermique ?
Des chocs thermiques peuvent avoir de lourdes conséquences sur les matériaux comme sur les Hommes. En effet, s'ils fragilisent les structures métalliques ou bétonnées par exemple, ils sont aussi à l'origine de malaises vagaux quand on subit une trop grosse différence de température.

De plus, lors qu'un matériau subit un refroidissement rapide, le cœur de se matériau peut être encore chaud alors que la partie externe de celui-ci est froide et commence donc à se rétracter. Cela engendre alors des contraintes de tension pouvant provoquer des fissures voire même l'éclatement du matériau. C'est donc dans le but de limiter ce phénomène que l'on refroidit de manière lente les céramiques et certains verres. Parfois même, on les recuit afin de les rendre plus solide. Il faut néanmoins rester prudent puisqu'en cas de réchauffement rapide, il peut également y avoir un risque de fissuration à cause de la différence de température bien que celle-ci soit nettement moindre que dans le cas du refroidissement rapide.

Chaleur de réaction

Qu'est-ce qu'un catalyseur ?
En physique chimie, on peut utiliser certains produits qui ne réagissent pas avec les autres afin d'augmenter la vitesse de réaction. C'est ce que l'on appelle des catalyseurs. Vous réalisez une catalyse dans votre vie de tous les jours sans vous en rendre compte : ajouter du sel dans l'eau de cuisson pour qu'elle bout plus vite en est un exemple !

Au cours d'une réaction chimique, on dit que le système échange de l'énergie avec le milieu extérieur. Cet échange se fait sous la forme de transfert thermique, anciennement appelé chaleur.

Cette énergie échangée sous forme de transfert thermique Q dépend des conditions expérimentales dans lesquelles se produit la réaction :

  • Volume constant, on parle d'une transformation isochore, la thermodynamique montre que Q est égale à la variation d'énergie interne du système. On peut alors noter Qv = ΔU (c'est notamment le cas de la bombe calorimétrique)
  • Pression constante, la chaleur est égale à la variation d’enthalpie : Qp = ΔH (ce qui représente le cas très fréquent des réactions effectuées à l’air libre).

Tables thermodynamiques

Les tables fournissent des valeurs dans des situations limitées (p, T particuliers, états standard, réactions de références)

Mais on ne travaille pas forcément à la pression standard, à des températures correspondant à celles des tables, avec des réactions qui sont dans les tables. Et surtout, dans les réactions chimiques, les espèces chimiques sont mélangées !

Les meilleurs professeurs de Physique - Chimie disponibles
1er cours offert !
Houssem
5
5 (105 avis)
Houssem
70€
/h
1er cours offert !
Anis
4,9
4,9 (78 avis)
Anis
80€
/h
1er cours offert !
Greg
5
5 (95 avis)
Greg
120€
/h
1er cours offert !
Grégory
5
5 (83 avis)
Grégory
105€
/h
1er cours offert !
Ahmed
4,9
4,9 (78 avis)
Ahmed
40€
/h
1er cours offert !
Pierre-thomas
5
5 (40 avis)
Pierre-thomas
80€
/h
1er cours offert !
Sébastien
5
5 (71 avis)
Sébastien
60€
/h
1er cours offert !
Antoine
4,9
4,9 (73 avis)
Antoine
60€
/h
1er cours offert !
Houssem
5
5 (105 avis)
Houssem
70€
/h
1er cours offert !
Anis
4,9
4,9 (78 avis)
Anis
80€
/h
1er cours offert !
Greg
5
5 (95 avis)
Greg
120€
/h
1er cours offert !
Grégory
5
5 (83 avis)
Grégory
105€
/h
1er cours offert !
Ahmed
4,9
4,9 (78 avis)
Ahmed
40€
/h
1er cours offert !
Pierre-thomas
5
5 (40 avis)
Pierre-thomas
80€
/h
1er cours offert !
Sébastien
5
5 (71 avis)
Sébastien
60€
/h
1er cours offert !
Antoine
4,9
4,9 (73 avis)
Antoine
60€
/h
1er cours offert>

La thermochimie

La thermochimie correspond à une branche de la physique chimie et permet l'étude des différents phénomènes thermiques dans des milieux réactionnels. On peut positionner cette branche, sur le plan disciplinaire, à l'interface entre la chimie et la thermodynamique.

En chimie, il existe différents types de réactions : les réactions dites exothermiques et qui dégagent donc de la chaleur et les réactions dites endothermiques qui, quant à elles, absorbent la chaleur. Il est possible de déterminer et mesurer les chaleurs de réactions par calorimétrie à pression constante dans un calorimètre ou encore à volume constant dans une bombe calorimétrique.

La bombe calorimétrique, inventée en 1881 par Marcellin Berthelot, est un outil permettant de mesurer le pouvoir calorifique d'une combustible. C'est pour cela que Marcellin Berthelot est considéré comme étant le fondateur de la thermochimie. Même s'il faudra attendre le XXe siècle que la thermochimie se développera considérablement.

En appliquant le deuxième principe de la thermodynamique aux systèmes chimiques, il est possible de prévoir le sens des réactions mais aussi le positionnement des équilibres chimiques et ainsi de définir le rendement et la composition d'un système après la réaction.

Exercice d'application

Comment fabriquer du béton ?
Il existe une multitude de bétons différents. Le béton armé qui correspond à un matériau composite, composé d’une armature en acier recouverte de béton ;
Le béton extrudé qui est régulièrement utilisé en technique routière. Ce type de béton correspond à un béton extrudé qui est donc coulé en place à l’aide de machines à coffrages glissants, que l’on appelle machines à extruder ou extrudeuses. Le béton extrudé permet ainsi la réalisation de murets de sécurité, de bordures ainsi que de dispositifs de retenue sur des linéaires importants. ;
Le béton autoplaçant qui correspond à un béton de ciment capable, sous le seul effet de la pesanteur, de se mettre en place dans les coffrages même les plus complexes et très encombrés sans nécessiter pour autant des moyens de vibration qui permettent de consolider le mélange. On obtient ainsi un produit très homogène ;
Le béton cellulaire qui correspond à un bloc isolant réalisé en autoclave ;

On cherche à déterminer l'évolution du profil de température dans le mur en béton d'un bâtiment suite à une variation brusque de la température extérieure.

On modélise le béton par un milieu homogène semi-infini x ≥ 0. La température initiale du béton et de l'extérieur est uniforme égale à T1.

A t = 0, la température extérieure, pour x ≤ 0, prend la valeur constante T2.

  • Quelle est l'équation vérifiée par la température T(x,t) dans le béton ?
  • Justifiez mathématiquement que la fonction f(x/λ) est la dilatée d'un coefficient λ selon x de la fonction f(x) .
    • On cherche donc la solution T(x,t) sous la forme T(u) avec u = x / (Dt)1/2 où D représente le coefficient de diffusion de l'équation de diffusion thermique. En déduire l'équation différentielle vérifiée par T(u).
  • Résoudre cette équation en utilisant la fonction erf(x) définie par :

        \[ \text { erf } \left( x \right) = \frac { 2 } { \sqrt { \pi } } \int _ { 0 } ^ { x } \exp \left( - t ^ { 2 } \right) \text { d}t \]

  • Représenter le profil de température dans le béton, et décrire son évolution.
  • Quelle est la condition sur la durée d'évolution de la température extérieure pour que l'on puisse utiliser la notion de résistance thermique pour évaluer le flux thermique dans le béton d'épaisseur e ?
Besoin d'un professeur de Physique - Chimie ?

Vous avez aimé l’article ?

Aucune information ? Sérieusement ?Ok, nous tacherons de faire mieux pour le prochainLa moyenne, ouf ! Pas mieux ?Merci. Posez vos questions dans les commentaires.Un plaisir de vous aider ! :) 3,50/5 - 4 vote(s)
Loading...

Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.