Guide révision Physique-Chimie Terminale – Transferts thermiques











Guide révision Physique-Chimie Terminale

Transferts thermiques

Une fiche complète pour comprendre les modes de transfert thermique, le flux thermique, la résistance thermique, la température terrestre moyenne, le bilan radiatif et la loi de Newton appliquée aux échanges thermiques.

En résumé

Un transfert thermique est un échange d’énergie entre un système et son milieu extérieur provoqué par une différence de température. Il peut se faire par conduction, convection ou rayonnement. À l’échelle de la Terre, l’équilibre entre l’énergie solaire reçue, l’énergie réfléchie et l’énergie rayonnée permet d’expliquer la température terrestre moyenne. La loi de Newton modélise l’évolution de la température d’un système au contact d’un thermostat.

Transfert thermiqueÉchange d’énergie dû à une différence de température.
Bilan radiatifÉquilibre entre puissance reçue, réfléchie, absorbée et rayonnée.
Loi de NewtonModèle d’évolution de la température vers celle du milieu extérieur.

Idée clé : pour traiter un exercice, il faut toujours identifier le système, les transferts d’énergie et les grandeurs constantes ou variables dans le temps.

Ce qu’il faut savoir faire

  • Identifier les trois modes de transfert thermique : conduction, convection, rayonnement.
  • Calculer ou interpréter un flux thermique et une puissance thermique.
  • Utiliser une résistance thermique pour modéliser un transfert par conduction.
  • Comprendre le rôle de l’albédo dans la température terrestre moyenne.
  • Relier puissance solaire reçue, puissance absorbée et puissance rayonnée.
  • Utiliser la loi de Stefan-Boltzmann dans un bilan radiatif simplifié.
  • Écrire le premier principe pour un système incompressible.
  • Exploiter la loi de Newton thermique et reconnaître une évolution exponentielle.

1. Le transfert thermique

Un transfert thermique s’effectue entre un système et le milieu extérieur lorsqu’il existe une différence de température. Dans les situations courantes, on distingue trois modes principaux.

Mode Principe Exemple
Conduction Transfert de proche en proche dans la matière, sans déplacement global. Une cuillère métallique qui chauffe dans une casserole.
Convection Transfert associé au déplacement d’un fluide. Air chaud qui monte au-dessus d’un radiateur.
Rayonnement Transfert par ondes électromagnétiques, possible même dans le vide. Énergie reçue du Soleil.
Modes de transfert thermique Conduction contact dans la matière

Convection déplacement d’un fluide

Rayonnement possible dans le vide

a. Flux thermique

Le flux thermique correspond à une puissance thermique transférée, c’est-à-dire une énergie thermique transférée par unité de temps.

Φ = Q / Δt

Le flux se mesure en watts. Par convention, on précise souvent si le flux est compté positivement lorsqu’il est reçu ou cédé par le système étudié.

b. Résistance thermique

La résistance thermique caractérise la capacité d’un matériau ou d’une paroi à s’opposer au transfert thermique. Plus elle est grande, plus le transfert est limité.

Rth = e / (λS)

e est l’épaisseur, λ la conductivité thermique et S la surface d’échange. Dans un modèle simple, le flux par conduction est relié à l’écart de température par :

Φ = (Tchaud − Tfroid) / Rth
Lecture physique : une bonne isolation thermique augmente la résistance thermique entre l’intérieur et l’extérieur et limite donc les pertes d’énergie.

2. La température terrestre moyenne

La température moyenne à la surface de la Terre dépend d’un bilan entre l’énergie reçue du Soleil, l’énergie réfléchie vers l’espace et l’énergie rayonnée par la Terre. Ce modèle simplifié permet de comprendre le rôle de l’albédo et de l’effet de serre.

a. Bilan quantitatif de l’énergie du système Terre-atmosphère

La Terre reçoit une puissance solaire. Une partie est réfléchie vers l’espace : c’est l’effet de l’albédo. Le reste est absorbé par le sol, les océans et l’atmosphère. La Terre émet ensuite un rayonnement infrarouge dont la puissance dépend de sa température.

Bilan radiatif simplifié Terre-atmosphère Soleil puissance solaire reçue partie réfléchie : albédo rayonnement infrarouge émis atmosphère

b. Albédo et effet de serre

L’albédo est la fraction de la puissance solaire incidente qui est réfléchie. Une surface claire comme la neige possède un albédo élevé, tandis qu’un océan sombre absorbe davantage d’énergie.

L’effet de serre naturel est dû à certains gaz atmosphériques qui absorbent une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre puis le réémettent. Il contribue à maintenir une température moyenne compatible avec la vie. L’augmentation de la concentration de certains gaz à effet de serre modifie cependant ce bilan et peut conduire à un réchauffement.

c. Loi de Stefan-Boltzmann

Un corps qui rayonne émet une puissance surfacique proportionnelle à la quatrième puissance de sa température absolue.

Psurf = σ · T4

Cette relation permet de relier la puissance rayonnée à la température, dans un modèle radiatif simplifié.

À retenir : la température terrestre moyenne dépend d’un équilibre dynamique entre énergie reçue, énergie réfléchie, énergie absorbée et énergie réémise.

3. La loi de Newton

a. Modèle de la loi de Newton thermique

Lorsqu’un système incompressible échange de l’énergie avec un thermostat ou un milieu extérieur de température constante, sa température évolue progressivement vers celle du milieu. La loi de Newton modélise ce transfert en considérant que le flux thermique est proportionnel à l’écart de température.

Φ = h · S · (T − Text)

Selon la convention choisie, un signe peut apparaître pour indiquer que le flux s’oppose à l’écart de température : le système chaud se refroidit, le système froid se réchauffe.

b. Bilan d’énergie d’un système incompressible

Pour un système incompressible, la variation d’énergie interne peut s’écrire :

ΔU = m · c · (Tf − Ti)

En combinant cette relation avec la loi de Newton, on obtient une équation différentielle qui décrit l’évolution de la température dans le temps. Les solutions correspondent à une évolution exponentielle vers la température du milieu extérieur.

Évolution de température vers un thermostat T t T_ext refroidissement réchauffement

c. Utilisation pratique

Dans un exercice, on établit généralement l’équation différentielle à partir du premier principe de la thermodynamique. Ensuite, on utilise les conditions initiales pour déterminer les constantes et prévoir l’évolution de la température au cours du temps.

Point méthode : bien préciser si la température est exprimée en kelvins ou en degrés Celsius. Pour les écarts de température, une différence de 1 K correspond à une différence de 1 °C.

Mots-clés à connaître

Chaque notion pourra renvoyer vers le Lexique Physique-Chimie.

transfert thermiqueconductionconvectionrayonnementflux thermiquepuissance thermiquerésistance thermiquerésistance thermique surfaciqueconductivité thermiquetempératuretempérature terrestre moyennebilan radiatif terrestrealbédoeffet de serregaz à effet de serrepuissance solaire reçuepuissance absorbéepuissance rayonnéeloi de Stefan-Boltzmannconstante de Stefan-Boltzmanncorps noirsystème incompressiblecapacité thermique massiqueénergie internepremier principe de la thermodynamiqueloi de Newton thermiqueévolution exponentiellethermostattempérature finaleéquation différentiellerégime permanentrégime transitoire

Carte mentale de synthèse

Transferts thermiques
Modes de transfertConduction, convection et rayonnement.
Flux thermiquePuissance thermique échangée entre un système et l’extérieur.
Résistance thermiqueModélise l’opposition d’une paroi au transfert thermique.
Température terrestreDépend du bilan radiatif Terre-atmosphère.
Albédo et effet de serreDeux facteurs majeurs du bilan énergétique terrestre.
Loi de NewtonÉvolution exponentielle vers la température du milieu extérieur.

Erreurs fréquentes

Confondre chaleur et température
La température caractérise un état thermique ; le transfert thermique est une énergie échangée.
Confondre conduction et convection
La conduction se fait sans déplacement global de matière ; la convection implique un déplacement de fluide.
Oublier que le rayonnement peut se propager dans le vide
C’est ce qui permet à l’énergie solaire d’atteindre la Terre.
Penser qu’un albédo élevé réchauffe davantage
Un albédo élevé signifie qu’une plus grande part de la puissance incidente est réfléchie.
Utiliser la température Celsius dans T⁴
Dans la loi de Stefan-Boltzmann, la température doit être exprimée en kelvins.
Oublier les conditions initiales dans la loi de Newton
Elles permettent de déterminer complètement l’évolution de la température.

QCM interactif

Clique sur une réponse : la case devient verte si elle est correcte et rouge si elle est fausse.

1. Le transfert thermique par conduction se fait principalement :

2. La convection correspond :

3. Le rayonnement thermique peut se propager :

4. Le flux thermique correspond à :

5. La résistance thermique traduit :

6. Plus la résistance thermique est grande, plus le transfert thermique est :

7. L’albédo mesure :

8. L’effet de serre naturel est dû :

9. La loi de Stefan-Boltzmann relie la puissance rayonnée à :

10. Pour un système incompressible, la variation d’énergie interne vaut :

11. La loi de Newton thermique modélise souvent :

12. Dans un refroidissement, la température du système tend vers :


Mini-entraînement

Cherche d’abord seul, puis clique sur Soluce.

Exercice 1

Une paroi sépare un intérieur à 20 °C d’un extérieur à 5 °C. La résistance thermique vaut Rth = 3,0 K·W−1. Calculer le flux thermique sortant dans le modèle simplifié.

Correction : Φ = (Tchaud − Tfroid)/Rth = (20 − 5)/3,0 = 5,0 W.

Exercice 2

Une masse d’eau de 0,20 kg passe de 18 °C à 28 °C. Avec c = 4,18 × 10³ J·kg−1·K−1, calculer la variation d’énergie interne.

Correction : ΔT = 10 K. ΔU = m·c·ΔT = 0,20 × 4,18×10³ × 10 = 8,36×10³ J.

Exercice 3

Une surface a un albédo élevé. Absorbe-t-elle une grande ou une faible part de la puissance solaire incidente ?

Correction : elle réfléchit une grande part de la puissance reçue et en absorbe donc une part plus faible.

Exercice 4

Dans un refroidissement modélisé par la loi de Newton, que devient la température du système au bout d’un temps très long ?

Correction : elle tend vers la température du milieu extérieur ou du thermostat.

Exercice 5

Pourquoi l’effet de serre naturel augmente-t-il la température moyenne de surface de la Terre ?

Correction : certains gaz absorbent une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface puis le réémettent, ce qui limite les pertes radiatives directes vers l’espace.

Conclusion : ce chapitre relie les transferts d’énergie à des situations concrètes : isolation, chauffage, refroidissement, bilan radiatif terrestre et évolution de température.