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Cours — L’énergie et ses transferts

4e · Cycle 4 · L’énergie, ses transferts et ses conversions

Température et énergie thermique, conduction, convection et rayonnement, rayonnement émis et absorbé, effet de serre et combustions.

Objectifs
Partie 1

Température et énergie thermique

La température se mesure avec un thermomètre, en degrés Celsius (°C). L’énergie thermique (souvent appelée « chaleur ») est une forme d’énergie ; comme toutes les énergies, elle s’exprime en joules (J).

Un transfert d’énergie thermique se fait toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jusqu’à ce que les deux aient la même température : c’est l’équilibre thermique.

Exemple : une tasse de thé à 70 °C dans une pièce à 20 °C cède de l’énergie thermique à l’air : le thé refroidit, jusqu’à 20 °C.

Attention : le « froid » ne se transmet pas. Quand on touche une rampe métallique froide, c’est la main qui cède de l’énergie au métal.
Partie 2

Trois modes de transfert thermique

Conductionpar contactConvectionfluide en mouvementRayonnementsans contact

Les trois modes de transfert thermique.

Conducteurs thermiques : les métaux (cuivre, aluminium, fer).
Isolants thermiques : le bois, le plastique, la laine, le polystyrène, l’air immobile.
Partie 3

Rayonnement émis, rayonnement absorbé

Tout objet émet un rayonnement, d’autant plus intense que l’objet est chaud. À température ordinaire, c’est un rayonnement infrarouge, invisible pour nos yeux (les caméras thermiques le détectent).

Quand un objet absorbe un rayonnement, il reçoit de l’énergie et s’échauffe. Les surfaces sombres absorbent davantage le rayonnement ; les surfaces claires ou brillantes en réfléchissent une grande partie.

Émettre un rayonnement = céder de l’énergie. Absorber un rayonnement = recevoir de l’énergie.
Partie 4

L’effet de serre

atmosphère (gaz à effet de serre)sollumière du Soleilinfrarouge émisrenvoyévers l’espace

Le sol, chauffé par la lumière du Soleil, émet de l’infrarouge ; les gaz à effet de serre en absorbent une partie et en renvoient vers le sol.

Le sol, chauffé par le Soleil, émet du rayonnement infrarouge. Certains gaz de l’atmosphère, les gaz à effet de serre (vapeur d’eau, dioxyde de carbone CO₂, méthane CH₄), absorbent une partie de ce rayonnement et en renvoient vers le sol.

Cet effet de serre naturel est indispensable à la vie : sans lui, la température moyenne à la surface de la Terre serait d’environ −18 °C au lieu de +15 °C.

Modèle très simplifié (une seule couche d’atmosphère) : il donne des ordres de grandeur, pas une prévision du climat.

Partie 5

Combustions et effet de serre renforcé

Les combustions de charbon, de pétrole et de gaz naturel produisent du dioxyde de carbone (revois le chapitre « La réaction chimique »). Depuis le début de l’ère industrielle, la concentration de CO₂ dans l’air est passée d’environ 280 ppm à plus de 420 ppm (ppm : parties par million).

L’effet de serre est ainsi renforcé : la température moyenne de la Terre a augmenté d’environ 1,1 °C entre la fin du XIXe siècle et la décennie 2011-2020 (rapport du GIEC, 2021).

Agir : isoler les logements (limiter les transferts thermiques), économiser l’énergie, utiliser des sources qui n’émettent pas de CO₂ en fonctionnement.
L’essentiel
  • Température en °C ; énergie thermique en J.
  • Le transfert thermique va du chaud vers le froid jusqu’à l’équilibre thermique.
  • Conduction (contact), convection (fluide en mouvement), rayonnement (sans contact, même dans le vide).
  • Un objet sombre absorbe davantage le rayonnement ; émettre un rayonnement, c’est céder de l’énergie.
  • Effet de serre : les gaz à effet de serre renvoient vers le sol une partie de l’infrarouge ; les combustions le renforcent.
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