Ressources · Terminale · Spécialité Physique-Chimie

Fiche de révision : Conversions et transferts d'énergie

Conduction, convection et rayonnement ; flux thermique et résistance thermique d’une paroi ; parois en série et en parallèle ; bilan thermique du système Terre-atmosphère et effet de serre ; loi phénoménologique de Newton et évolution de la température d’un système.

Télécharger la fiche PDF

benprofparticulier.frSpécialité Physique-Chimie · Terminale

Transferts thermiques : flux, résistance et loi de Newton

Fiche méthode

(Physique-chimie Tle spécialité · L’énergie : conversions et transferts · Bilans d’énergie : transferts thermiques)

La démarche pour un exercice de transferts thermiques

1. Je définis le système et son extérieur ; je repère le sens du transfert (du chaud vers le froid) et le régime : stationnaire (températures constantes) ou évolution au cours du temps.

2. Je convertis : épaisseurs en m, durées en s, énergies en J (1 kWh = 3,6 × 10⁶ J), températures en K quand une température absolue apparaît seule ( $σ T^{4}$ ).

3. Je choisis la relation : $Φ = Δ T / R_{t h}$ et $R_{t h} = e / (λ S)$ pour une paroi ; puissance absorbée = puissance émise pour une planète ; loi de Newton et premier principe pour une évolution.

4. Je résous littéralement, puis je fais l’application numérique avec le bon nombre de chiffres significatifs.

5. Je contrôle : unité (W ou J ?), sens physique (la température tend vers celle de l’extérieur), ordre de grandeur.

Le réflexe — un écart de température crée un flux ; la résistance le limite ; le flux, par le premier principe, fait varier la température jusqu’à l’équilibre.

Cas 1 · Reconnaître un mode de transfert

Réflexe — contact sans mouvement de matière : conduction ; fluide qui circule : convection ; ondes, même dans le vide : rayonnement.

Exemple. Le circuit de refroidissement d’un moteur de voiture.

Le liquide pompé emporte l’énergie du moteur jusqu’au radiateur (convection) ; elle traverse les fines parois métalliques du radiateur (conduction) ; l’air qui le traverse l’emporte à son tour (convection).

Attention — le froid ne « rentre » pas : c’est l’énergie qui sort.

Cas 2 · Flux à travers une paroi

Réflexe — $R_{t h} = \frac{e}{λ S}$ puis $Φ = \frac{Δ T}{R_{t h}}$ ; $Q = Φ Δ t$ .

Exemple. Porte en bois : 4,0 cm, $λ = 0, 15$ W·m⁻¹·K⁻¹, 1,8 m², entre 20 °C et 5 °C.

$R_{t h} = \frac{0, 040}{0, 15 \times 1, 8} \approx 0, 148$ K·W⁻¹ ; $Φ = \frac{15}{0, 148} \approx$ 101 W.

Attention — W pour un flux, J ou kWh pour une énergie.

1 / 2

benprofparticulier.frSpécialité Physique-Chimie · Terminale

Cas 3 · Parois en série ou en parallèle

Réflexe — série : $R = R_{1} + R_{2} + \dots$ ; parallèle : $Φ = Φ_{1} + Φ_{2} + \dots$

Exemple. Cloison de 10 m² : deux panneaux de bois de 1,0 cm ( $λ$ = 0,15) encadrant 5,0 cm de laine ( $λ$ = 0,040) ; écart de 12 K.

$R = 2 \times \frac{0, 010}{0, 15 \times 10} + \frac{0, 050}{0, 040 \times 10} \approx 0, 138$ K·W⁻¹ ; $Φ = \frac{12}{0, 138} \approx$ 86,7 W.

Attention — on n’additionne jamais les conductivités.

Cas 4 · Température d’équilibre d’un astre

Réflexe — $(1 - A) 𝒞 π R^{2} = σ 4 π R^{2} T^{4}$ , donc $T = {(\frac{(1 - A) 𝒞}{4 σ})}^{1 / 4}$ .

Exemple. La Lune : $𝒞 = 1 361$ W·m⁻², albédo 0,11.

$T = {(\frac{0, 89 \times 1 361}{4 \times 5, 67 \times 10^{- 8}})}^{1 / 4} \approx$ 270 K (température d’équilibre du modèle : la surface réelle, qui tourne lentement, passe à l’équateur d’environ 95 K la nuit à 390 K le jour).

Attention — T en kelvins ; part absorbée $1 - A$ ; facteur 4.

Cas 5 · Loi de Newton et constante de temps

Réflexe — $m c \frac{d T}{d t} = - h S (T - T_{e x t})$ ; $τ = \frac{m c}{h S}$ ; $T (t) = T_{e x t} + (T_{0} - T_{e x t}) e^{- t / τ}$ .

Exemple. Boîtier de capteur : 0,25 kg, $c$ = 840 J·kg⁻¹·K⁻¹, $S$ = 3,0 × 10⁻² m², $h$ = 20 W·m⁻²·K⁻¹ ; de 75 °C dans l’air à 18 °C.

$τ = \frac{0, 25 \times 840}{20 \times 3, 0 \times 10^{- 2}} =$ 350 s ; $T (τ) = 18 + 57 e^{- 1} \approx$ 39 °C.

Attention — c’est l’écart qui décroît exponentiellement, pas $T$ .

Cas 6 · Exploiter une évolution de température

Réflexe — $t = τ \ln (\frac{T_{0} - T_{e x t}}{T - T_{e x t}})$ ; avec un chauffage $P$ : $T_{lim} = T_{e x t} + \frac{P}{h S}$ .

Exemple. Une plaque de cuisson éteinte passe de 180 °C à 100 °C en 15 min, dans une cuisine à 20 °C.

L’écart passe de 160 K à 80 K : il est divisé par 2, donc $τ = \frac{15}{\ln 2} \approx$ 21,6 min. Pour 40 °C (écart de 20 K, encore deux divisions par 2) : 45 min en tout.

Attention — la durée n’est pas proportionnelle à la baisse de température.

Les pièges

Répondre en watts à « quelle énergie ? », ou oublier de convertir des heures en secondes dans $Q = Φ Δ t$ .
Laisser une épaisseur en cm ou en mm dans $R_{t h} = e / (λ S)$ .
Additionner les résistances de parois côte à côte (il faut additionner les flux).
Mettre des degrés Celsius dans $σ T^{4}$ , ou oublier le facteur 4 entre le disque éclairé et la sphère qui rayonne.
Écrire $T (t) = T_{0} e^{- t / τ}$ , ou calculer le logarithme avec des températures au lieu des écarts.

Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).

2 / 2

À propos de cette page

La fiche méthode tient en deux pages : la démarche en cinq étapes, du choix du système au contrôle de l’unité, puis un exemple corrigé par cas — le refroidissement d’un moteur, une porte en bois, une cloison bois-laine-bois, la température de la Lune, un boîtier de capteur qui refroidit, une plaque de cuisson éteinte — et cinq pièges.

Bloqué sur ce chapitre ?

Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.

Réserver un 1^er cours → Voir les tarifs

Soutien scolaire à Marseille · Cours particuliers au collège · Aide aux devoirs