Cours de tleS sur le bilan d’énergie – Terminale
Soit un système macroscopiquement au repos et déformable. Il faut prendre en compte les travaux des forces dans le bilan énergétique.
Objectifs de ce chapitre : Proposer une méthodologie afin d’établir un bilan d’énergie d’un système, faisant intervenir des transferts thermiques et un échange de travail. Cette fiche vient en complément des fiches sur les transferts thermiques, et rappelle quelques-unes des relations rencontrées.
Faire le bilan énergétique
Définir le système physique:
Une première étape indispensable afin d’établir un bilan d’énergie est de définir de manière précise le système macroscopique étudié.
Dans la pratique, on rencontre trois cas de figure :
Système isolé: Le système n’échange ni matière ni énergie avec son environnement. Il est quasiment impossible de trouver un système rigoureusement isolé, notamment concernant les échanges d’énergie. Toutefois, certains systèmes pourront être considérés comme tels, comme un calorimètre et son contenu. Dans ces cas-là, la finalité est par exemple d’étudier l’établissement d’un équilibre thermique.
Système fermé: Le système n’échange que de l’énergie avec son environnement, mais pas de matière. Les systèmes fermés sont courants : récipient hermétiquement clos,… Des systèmes peuvent être considérés comme fermés si les échanges de matière sont négligeables et/ou non préjudiciables à l’étude : verre de boisson chaude, etc.
Un système déformable peut recevoir le travail des forces de pression exercées sur le système. C’est par exemple le cas avec un piston.
Si le système est muni d’une paroi l’isolant thermiquement de l’extérieur, alors on parle de paroi adiabatique. On a alors, par extension, les transformations qui peuvent avoir lieu au sein du système (compression par un piston, …) qualifié d’adiabatiques, car elles ne peuvent alors pas échanger de chaleur avec l’environnement.
Système ouvert: Le système échange de la matière et de l’énergie avec son environnement. Exemples : automobile (en prenant en compte les gaz admis et rejetés par le moteur), fusée, tour de refroidissement d’une centrale nucléaire, réfrigérants utilisés en chimie, etc.
Pour l’étude d’un système ouvert :
- On définit une frontière (imaginaire) délimitant ce qui est considéré comme faisant partie du système, et ce qui est son environnement extérieur. On comptabilise alors les flux d’énergie et de matière entrants ou sortants.
- Une autre façon de faire est de définir le système au départ, puis de suivre les entités qui le composent au cours du temps.
Inventorier les échanges d’énergie
Une deuxième étape est de recenser tous les échanges d’énergie qui ont lieu entre le système et l’environnement. Dans le cadre du cours, cela concerne des transferts d’énergie à l’échelle macroscopique via des échanges de chaleur Q ou de travail W. A énergie mécanique conservée, on rappelle que ces échanges d’énergie induisent une variation d’énergie interne .
Le travail W:
Le travail désigne un transfert d’énergie d’un système à un autre, via l’application d’une contrainte. On considérera particulièrement :
Le travail mécanique, résultant de l’application d’une force. Par exemple : forces de pression (piston), forces de frottements par friction entre deux solides, frottements fluides, etc.
Le travail électrique, induit par la circulation d’un courant électrique. Cette énergie pourra donner lieu, par exemple, à un échauffement du matériau par effet Joule.
D’une manière générale, un travail reçu par un système peut engendrer une modification de sa structure interne (déformations, …) et/ou un échauffement de celui-ci.
Bien entendu, un système peut également fournir un travail à son environnement. Exemple : détente d’un gaz comprimé, ressort qui reprend sa taille normale, travail électrique si le système est constitué d’une pile, d’un accumulateur.
La quantité de chaleur Q:
Hors changement d’état, un échange de chaleur s’accompagne d’une modification de l’agitation thermique du système, c’est-à-dire un échauffement si Q est reçu, et un refroidissement si Q est cédé par le système.
Pour rappel, un transfert thermique peut se faire selon trois modes :
- Conduction, notamment pour les corps solides.
- Convection : concerne les fluides (liquides et gaz).
- Rayonnement, décrit par le modèle du corps noir. L’énergie rayonnée est souvent négligeable pour
les corps à température ambiante, mais importante pour les corps chauds : filament d’une lampe à incandescence, fer en fusion, surface d’une étoile, etc.
Si le système reçoit plus d’énergie qu’il n’en cède, son énergie augmente. A l’opposé, si le système cède plus d’énergie qu’il n’en reçoit, son énergie diminue. Ces deux cas sont forcément limités dans le temps, l’énergie d’un système ne pouvant augmenter ou diminuer indéfiniment.
Quand un système cède autant d’énergie qu’il en reçoit, son énergie est conservée. Dans cette configuration, si l’énergie entrante et l’énergie sortante ne se présentent pas sous la même forme (travail/chaleur), le système est assimilable à un convertisseur d’énergie : chauffage électrique, …
On rappelle qu’une variation de température d’un corps condensé de masse m s’accompagne d’une variation de son énergie interne , où est sa capacité thermique massique.
En dehors du cadre d’application de cette relation, il peut y avoir des transformations au sein du système, de type réactions chimiques, nucléaires, ou des changements d’état de la matière. Elles correspondent à des conversions d’énergie interne (agitation thermique énergies potentielles microscopiques), mais ne modifient pas la valeur de celle-ci.
