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Qu'est-ce que l'énergie thermique dissipée ?

Pour apprendre ce qu'est l'énergie thermique et comment la calculer.

Qu'est-ce que l'énergie thermique ?

L'énergie thermique est la quantité d'énergie contenue dans un système en fonction de sa température. Elle se transfère sous forme de chaleur. Une branche entière de la physique, la thermodynamique, est consacrée à la façon dont la chaleur est transférée entre différents systèmes et au travail produit par ces échanges (voir le premier principe de la thermodynamique).
Dans les problèmes de mécanique, on s'intéresse habituellement au rôle joué par l'énergie thermique dans la conservation de l'énergie. La plupart du temps, dans le monde réel, les transferts d'énergie au sein d'un système physique présentent un rendement énergétique inférieur à 100 %. Une certaine quantité d'énergie thermique est ainsi dissipée. Cette énergie dissipée est généralement faible. En effet, la température qui y est associée est proche de la température ambiante. On obtiendra un travail uniquement si la différence de température est importante. L'énergie thermique dissipée arrive donc en bout de course dans les transferts d'énergie. Aucun travail utile ne pourra en être tiré, cette énergie est « perdue » (cédée à l'environnement).

Énergie thermique due aux frottements

Prenons l'exemple d'une personne qui pousse un objet sur un sol à surface rugueuse, à vitesse constante, tel que représenté à la figure 1. La force de frottement n'étant pas conservative, le travail fourni n'est pas stocké sous forme d'énergie potentielle. Tout le travail fourni par la force de frottement se traduit par un transfert d'énergie thermique au système objet/sol. Cette énergie thermique est transférée sous forme de chaleur au sein du système objet/sol, résultant en une augmentation de la température de chacun de ces éléments.
Figure 1 : Une personne pousse un objet soumis à des frottements.
Pour déterminer la variation d'énergie thermique totale ΔEt du système objet/sol, il suffit de déterminer le travail total fourni par la force de frottement tout au long du mouvement de poussée exercé par la personne. Comme l'objet avance à vitesse constante, la force de frottement et la force exercée sont de même intensité. Le travail fourni par chacune de ces forces est donc identique.
Par définition, le travail fourni par une force parallèle au déplacement d'un objet sur une distance d est :
W=Fd
ΔEt=Ffrottementd
Si le coefficient de frottement cinétique (ou dynamique) est μc, alors on peut écrire :
ΔEt=μcFNd
Exercice 1a : Supposons que la personne représentée à la figure 1 pousse l'objet à vitesse constante. L'objet a une masse de 100 kg et parcourt une distance de 100 m. Le coefficient de frottement cinétique entre l'objet et le sol est μc=0,3. Quelle quantité d'énergie thermique sera transférée au système objet/sol ?
Exercice 1b : Lorsque la personne pousse l'objet, elle se sert du frottement existant entre la semelle de ses chaussures et le sol. Est-ce que l'énergie thermique des chaussures de la personne change lorsqu'elle pousse l'objet ?

Énergie thermique due à la force de traînée

La force de traînée exercée sur un objet en mouvement dans un fluide, tel que l'air ou l'eau, est un autre exemple de force non conservative.
Lorsqu'un objet se déplace au sein d'un fluide, une certaine quantité de mouvement est transférée au fluide, qui se met ainsi en mouvement. Si l'objet s'arrête, un mouvement résiduel persiste dans le fluide, puis cesse au bout d'un certain temps. Mais que se passe-t-il alors ? Le mouvement macroscopique du fluide est redistribué en une multitude de mouvements microscopiques aléatoires des molécules dans le fluide. Ces mouvements causent une augmentation de l'énergie thermique du système.
Un système composé d'un réservoir d'eau isolé thermiquement et d'un arbre suspendu à l'intérieur est représenté à la figure 2. Deux pales sont fixées sur l'arbre mis en rotation autour de son axe. Dans ce système, tout le travail fourni par la rotation de l'arbre se traduit par un transfert d'énergie cinétique à l'eau. Si on cesse d'appliquer la force d'entraînement sur l'arbre au bout d'un certain temps, un mouvement résiduel persistera dans l'eau. Cependant, ce mouvement finira par cesser et entraînera une augmentation de l'énergie thermique de l'eau.
Un système assez similaire avait été utilisé par James Prescott Joule (1818-1889), dont le nom a été repris pour désigner l'unité de l'énergie dans le système international. En plongeant une roue à aubes dans un réservoir d'huile de baleine entraînée par la chute de poids, il a pu établir la relation entre énergie mécanique et chaleur. Cette observation a conduit à la loi de conservation de l'énergie et au premier principe de la thermodynamique.
Figure 2 : Roue à aubes en rotation dans un réservoir d'eau.
Exercice 2a : Supposons que la roue à aubes représentée sur la figure 2 est mise en rotation pendant 30 minutes par un moteur électrique dont la puissance nominale de sortie est 10 W. Quelle quantité d'énergie thermique est transférée à l'eau ?
Exercice 2b (suite) : Si le réservoir contient initialement 1 L d'eau à 10 C, quelle sera la température de l'eau une fois le moteur arrêté et le clapotement de l'eau terminé ?

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  • blobby green style l'avatar de l’utilisateur herminedjona
    Bonsoir.
    J aimerais savoir comment calculer le énergie thermique dans un calorimètre
    (1 vote)
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    • blobby green style l'avatar de l’utilisateur Elisabeth
      C'est toujours d'une variation de chaleur qu'on parle.
      Le calorimètre est un objet de labo. En général, on mesure la variation de chaleur. À l'aide d'un thermomètre, on mesure la variation de température entre le début et la fin de l'expérience, ∆T. Cela nous permet de calculer la variation de chaleur, Q, avec la formule Q=m.c.∆T.
      Il y a d'autres méthodes de calcul, comme celles décrites ci-dessus, qui se basent sur la relation Puissance=énergie/temps, ou
      Énergie = Puissance x temps.
      Ca dépend des données de l'exercice
      (1 vote)
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