📘 Transferts thermiques et bilans d’énergie d’un système thermodynamique

L’énergie interne d’un système change lorsqu’il échange de la chaleur Q ou reçoit un travail W. Le premier principe de la thermodynamique établit le bilan énergétique.

📐 I. Transferts thermiques

Un transfert thermique Q se produit spontanément du corps chaud vers le corps froid jusqu’à l’équilibre thermique.

Trois modes de transfert :

[Image of conduction convection and radiation diagram]

• Conduction : Transfert de proche en proche dans la matière sans déplacement (solides).
• Convection : Transfert par déplacement de matière (mouvements dans les fluides).
• Rayonnement : Transfert par ondes électromagnétiques (possible dans le vide).

Chaleur échangée (sans changement d’état) :

Q = m × c × ΔT

Avec c la capacité thermique massique (J·kg⁻¹·K⁻¹) et ΔT = T_finale − T_initiale.

Flux thermique : Φ = Q / Δt (exprimé en Watts W).

Résistance thermique : R_th = ΔT / Φ (en K·W⁻¹). Plus R_th est élevée, plus le matériau est isolant.

📐 II. Premier principe de la thermodynamique

Pour un système fermé (qui n’échange pas de matière avec l’extérieur) :

ΔU = W + Q

Où ΔU est la variation d’énergie interne, W le travail reçu et Q la chaleur reçue (en Joules J).

Convention de signe : Ce qui est reçu par le système est compté positivement (> 0), ce qui est cédé est négatif (< 0).

📐 III. Système Terre-atmosphère

Albédo (α) : Fraction de la puissance solaire réfléchie par la surface terrestre (α ≈ 0,30). La puissance absorbée est donc (1 − α).

Effet de serre : Les gaz (CO₂, H₂O, CH₄) absorbent le rayonnement infrarouge thermique émis par la Terre et en réémettent une partie vers le sol, augmentant la température de surface.

💡 À retenir

• Calcul de chaleur : Q = m·c·ΔT.
• Bilan d’énergie : ΔU = W + Q (Premier principe).
• Modes de transfert : conduction, convection, rayonnement.
• Bilan radiatif terrestre : L’équilibre entre l’énergie reçue (Soleil) et l’énergie émise (Infrarouge) détermine la température de la Terre.