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BOOST PHYSIQUE-CHIMIE - FLUX THERMIQUE, SYSTÈME EN CONTACT AVEC UN THERMOSTAT

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Flux thermique : système en contact avec un thermostat

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I. Flux thermique

 

Rappel : lorsqu’on a une température à l’extérieur d’une zone notée T1 et une température T2 à intérieur de la zone, si T1>T2, alors on a un flux thermique de la zone chaude vers la zone froide. C’est un transfert d’énergie thermique (en Joule).

Le flux thermique $\phi$ : $\phi = \dfrac{Q}{\Delta t}$, avec $Q$ la quantité de chaleur échangé sur une durée $\Delta t$.

Si on a 10J échangé pendant 5secondes, on aura un flux thermique de 2J.s-1. On peut avoir par exemple 30J.s-1.

 

II. Cas du thermostat

 

C’est un système à température constante. Si la zone T1 est à température constante, on dira que la zone est un thermostat. La zone intérieure sera le système et on dira que le système est entouré d’un thermostat.

On a un rectangle avec une température $T$ et autour une zone à température $T_{ext}.$ En supposant que la température extérieure est plus grande, on aura un flux thermique de l’extérieur vers l’intérieur. Il existe une formule qui permet de mesurer le flux entre le thermostat et le système :

$\phi = h\times S \times (T_{paroi} – T)$ (on suppose que la paroi est à même température que la température du thermostat).

$h$ est le coefficient de Newton. On a un flux proportionnel à une température. On peut retrouver les unités facilement dans la formule.

 

III. Remarque : lien entre coefficient de Newton et résistance thermique

 

On a vu que $\phi = \dfrac{Text-T}{Rth}$.

On vient de voir que dans le cas du thermostat $\phi = h\times S \times (T_{paroi} – T)$

Donc on a : $\phi = \dfrac{Text-T}{Rth} = h\times S \times (T_{paroi} – T)$.

D’où $\dfrac{Text-T}{Rth} = h\times S \times (T_{paroi} – T)$.

Donc : $\dfrac{1}{Rth} = h\times S$.

La première formule $\phi = \dfrac{Text-T}{Rth}$ n’est pas spécifique du thermostat elle est générale. La dernière formule trouvée peut être très utile dans les exercices. On se sert toujours d’hypothèse par rapport au flux thermique. On suppose toujours que la température extérieure est plus chaude que celle de l’intérieur. Mais que se passe-t-il si c’est l’inverse ?

Aucun problème, puisqu’on se sert de convention. On se place dans le cas où le flux est positif. Si on a l’inverse, la différence de température est négative et le flux aussi. Le flux est donc dans le sens inverse. Il faudra s’adapter avec le signe pour connaître le sens du flux.