Vidéo : Évolution de la température d’un système au contact d’un thermostat

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Emissions Lumni29:31Publié le 30/11/2020

Évolution de la température d’un système au contact d’un thermostat

Les cours Lumni - Lycée

Au bout de combien de temps une tasse de café chaude se refroidit-elle ? Dans ce cours, Olivier et Rodolphe, professeurs de physique-chimie, montrent comment le premier principe de la thermodynamique et la loi phénoménologique de Newton permettent de déterminer l’évolution au cours du temps de la température de la tasse de café au contact de l’air ambiant.

 

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Qu’est-ce que le premier principe de la thermodynamique ?

Le premier principe de la thermodynamique repose sur le principe de la conservation de l’énergie dans un système isolé. Ce principe permet de relier la variation de l’énergie interne de notre système avec les causes de cette variation.

 

Avant d’appliquer le premier principe de la thermodynamique, il faut définir le système étudié : 

  • Système étudié est fermé : le café + la tasse qui est au repos (incompressible). On suppose qu’il y a que des transferts thermiques par convection entre le système et l’air.
  • L’air de la pièce est à température constante. On l’appelle le « thermostat » (T ext).
  • La température de la tasse est à 60° (T).

 

Ensuite, il faut se poser les questions suivantes :

  • Quel est le type d’énergie emmagasiné par le système étudié ? L’énergie stockée sera l’énergie interne, notée « U ».
  • Quels sont les transferts ?  Le travail d’une force et le travail électrique (W) et le transfert thermique (Q).

 

Schéma :

Delta U = W + Q

 

W : travail algébrique des forces extérieures reçu par le système, en J.

Q : transfert thermique algébrique reçu par le système, en J.

 

Ensuite, on modélise le système :

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Le principe de la « loi de refroidissement de Newton »

La loi phénoménologique de Newton est aussi appelée « loi de refroidissement de Newton » du nom d'un mathématicien britannique qui fait partie de ceux qui ont émis les premières lois de la physique.  La loi de phénoménologique de Newton permet d’exprimer le flux thermique échangé entre la tasse et l’air ambiant. Autrement dit, elle mesure la vitesse de refroidissement d’un objet.

 

Selon cette loi, le taux de variation de la température en fonction du temps doit être proportionnel à la différence de température entre la température du corps qu’on étudie et la température ambiante.  

 

Φ 𝑓→𝑠 = ℎ x 𝑆 x (𝑇𝑓 – 𝑇 ext)

 

S : surface d’échange du fluide (f) en m2

h : coefficient d’échange du système

𝛷 : évolution temporelle du flux

 

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Réalisateur : Didier Fraisse

Producteur : France tv studio

Année de copyright : 2020

Année de production : 2020

Année de diffusion : 2020

Publié le 30/11/20

Modifié le 04/12/20

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