12 Exemples d’énergie thermique dans la vie de tous les jours
L’énergie thermique désigne l’énergie possédée par un objet en raison des mouvements des particules à l’intérieur de l’objet. C’est l’énergie cinétique interne de l’objet, qui provient des mouvements aléatoires des molécules et des atomes de l’objet.
Alors que les molécules et les atomes qui composent la matière bougent tout le temps, lorsqu’un objet se réchauffe, l’augmentation de la température fait que ces particules bougent plus vite et entrent en collision les unes avec les autres. Plus ces particules se déplacent rapidement, plus l’énergie thermique de l’objet est élevée.
Elle peut s’écrire mathématiquement comme le produit de la constante de Boltzmann (kB) et de la température absolue (T).
Energie thermique = kBT
Le terme « énergie thermique » peut également s’appliquer à la quantité de chaleur transférée ou à l’énergie transportée par un flux thermique.
L’énergie thermique (ou énergie de la chaleur) peut être transférée d’un corps à un autre par trois processus –
- Conduction : est la forme la plus courante de transfert de chaleur, qui se produit par contact physique : Les transferts d’énergie interne dus aux collisions microscopiques des particules et au mouvement des électrons à l’intérieur d’un corps.
- Convection : est le transfert de chaleur d’une région à une autre par le mouvement des fluides, tels que les liquides et les gaz.
- Rayonnement : est la transmission d’énergie sous forme de particules ou d’ondes à travers l’espace ou un milieu. Plus l’objet est chaud, plus il rayonnera de l’énergie thermique.
Pour mieux expliquer ce phénomène, nous avons rassemblé quelques-uns des meilleurs exemples d’énergie thermique que vous voyez dans la vie quotidienne.
Énergie solaire
Type de transfert de chaleur : Rayonnement
Le Soleil est une sphère presque parfaite de plasma chaud qui transforme l’hydrogène en hélium par des milliards de réactions chimiques, qui finissent par produire une intense quantité de chaleur.
Au lieu de rester près du Soleil, la chaleur rayonne loin de l’étoile et dans l’espace. Une petite partie de cette énergie (chaleur) atteint la Terre sous forme de lumière. Il s’agit principalement de lumière infrarouge, visible et ultraviolette. Le transfert d’énergie thermique de cette manière est appelé rayonnement thermique.
Bien qu’une partie de l’énergie thermique traverse l’atmosphère terrestre et atteigne le sol, une autre partie est bloquée par les nuages ou réfléchie par d’autres objets. La lumière du soleil qui atteint la surface de la Terre la réchauffe.
Selon l’Université de l’Oregon, la Terre entière reçoit une moyenne de 164 Watts par mètre carré sur une journée de 24 heures. Cela signifie que la planète entière reçoit 84 Terawatts de puissance.
Fonte de la glace
Type de transfert de chaleur : Convection
L’énergie thermique circule toujours des régions de température supérieure vers les régions de température inférieure. Par exemple, lorsque vous ajoutez des glaçons à votre boisson, la chaleur passe du liquide aux glaçons.
La température du liquide baisse lorsque la chaleur passe de la boisson aux glaçons. La chaleur continue à se déplacer vers la zone la plus froide de la boisson jusqu’à ce qu’elle atteigne un équilibre. Cette perte de chaleur fait chuter la température de la boisson.
Piles à combustible
Pile à combustible qui prend de l’hydrogène et de l’oxygène en entrée
Transfert de chaleur : Dépend du type de pile à combustible
Les piles à combustible sont des dispositifs électrochimiques qui convertissent l’énergie chimique d’un combustible et d’un gaz oxydant en énergie électrique. Lorsqu’une pile à combustible fonctionne, une quantité importante d’intrants est utilisée pour générer de l’énergie électrique, mais la partie restante est transformée en énergie thermique, selon le type de pile à combustible.
La chaleur produite tout au long de ce processus est exploitée pour augmenter le rendement énergétique. Théoriquement, les piles à combustible sont beaucoup plus efficaces sur le plan énergétique que les processus conventionnels : si la chaleur résiduelle est capturée dans un schéma de cogénération, des rendements allant jusqu’à 90% peuvent être atteints.
Énergie géothermique
Type de transfert de chaleur : Convection mantellique
L’énergie géothermique est la chaleur dérivée dans la sub-surface de la Terre. Elle est contenue dans les fluides et les roches sous la croûte terrestre et peut être trouvée en profondeur dans la roche fondue chaude de la Terre, le magma.
Elle est produite à partir de la désintégration radioactive des matériaux et de la perte continue de chaleur lors de la formation de la planète. La température et la pression à la limite noyau-manteau pourraient atteindre plus de 4000°C et 139 GPa, entraînant la fusion de certaines roches et le comportement plastique du manteau solide.
Il en résulte une convection ascendante de portions du manteau (puisque la roche fondue est plus légère que la roche solide environnante). La vapeur et/ou l’eau transportent l’énergie géothermique vers la surface de la planète, d’où elle peut être utilisée à des fins de refroidissement et de chauffage, ou elle pourrait être exploitée pour produire de l’électricité propre.
Énergie thermique dans l’océan
Type de transfert de chaleur : Convection et conduction
Depuis des décennies, les océans ont absorbé plus des 9/10e de l’excès de chaleur de l’atmosphère dû aux émissions de gaz à effet de serre. Selon une étude, l’océan s’est réchauffé à un rythme de 0,5 à 1 watt d’énergie par mètre carré au cours des dix dernières années.
Les océans ont un potentiel incroyable pour stocker l’énergie thermique. Comme leurs surfaces sont exposées à la lumière directe du soleil pendant des périodes prolongées, il existe une énorme différence entre les températures des régions marines en eau peu profonde et en eau profonde.
Cette différence de température peut être utilisée pour faire fonctionner un moteur thermique et produire de l’électricité. Ce type de conversion d’énergie, connu sous le nom de conversion d’énergie thermique des océans, peut fonctionner en continu et peut soutenir diverses industries dérivées.
Cuiseur solaire
Type de transfert de chaleur : Rayonnement et conduction
Un cuiseur solaire est un appareil de faible technologie et peu coûteux qui utilise l’énergie de la lumière solaire directe pour chauffer, cuire ou pasteuriser une boisson et d’autres matières alimentaires. Par une journée ensoleillée, il peut atteindre une température allant jusqu’à 400°C.
Tous les cuiseurs solaires fonctionnent sur trois principes de base :
- Concentrer la lumière du soleil : L’appareil contient une surface réfléchissante pour concentrer la lumière du Soleil dans une petite zone de cuisson.
- Convertir l’énergie lumineuse en énergie thermique : Lorsque la lumière tombe sur un matériau récepteur (casserole), elle se transforme en chaleur, c’est ce qu’on appelle la conduction.
- Piéger l’énergie thermique : Un couvercle en verre isole l’air à l’intérieur de la cocotte de l’air extérieur, ce qui minimise la convection (perte de chaleur).
Rubbing Your Hand Together
Type de transfert de chaleur : Conduction
Lorsque vous frottez vos mains l’une contre l’autre, la friction transforme l’énergie mécanique en énergie thermique. L’énergie mécanique fait référence au mouvement de vos mains.
Puisque la friction se produit en raison de l’attraction électromagnétique entre les particules chargées de deux surfaces qui se touchent, le frottement des mains entraîne l’échange d’énergie électromagnétique entre les molécules de nos mains. Cela conduit à l’excitation thermique des molécules de nos mains, ce qui produit finalement de l’énergie sous forme de chaleur.
Moteur thermique
Type de transfert de chaleur : Convection
Un moteur thermique convertit l’énergie thermique en énergie mécanique, qui peut ensuite être utilisée pour effectuer un travail mécanique. Le moteur prend l’énergie d’être chaud (par rapport à l’environnement) et la transforme en mouvement.
Selon le type de moteur, différents processus sont appliqués, comme l’utilisation de l’énergie des processus nucléaires pour générer de la chaleur (uranium) ou l’allumage du combustible par la combustion (charbon ou essence). Dans tous les processus, l’objectif est le même : convertir la chaleur en travail.
Les exemples quotidiens de moteurs thermiques comprennent une locomotive à vapeur, un moteur à combustion interne et une centrale thermique. Ils sont tous alimentés par l’expansion de gaz chauffés.
Bougie allumée
Type de transfert de chaleur : Conduction, convection, rayonnement
Les bougies font de la lumière en produisant de la chaleur. Elles convertissent l’énergie chimique en chaleur. La réaction chimique est appelée combustion, où la cire de bougie réagit avec l’oxygène de l’air et produit un gaz incolore appelé dioxyde de carbone ainsi qu’une petite quantité de vapeur.
La vapeur est produite dans la partie bleue de la flamme, où la cire brûle proprement avec beaucoup d’oxygène. Mais comme aucune cire ne brûle parfaitement, elles produisent aussi un peu de fumée (aérosol) dans la partie jaune et brillante de la flamme.
Pendant tout le processus, la mèche absorbe la cire et brûle pour produire de la lumière et de l’énergie thermique.
Grille-pain électriques
Type de transfert de chaleur : Rayonnement thermique
Un grille-pain électrique absorbe l’énergie électrique et la convertit en chaleur de manière très efficace. Il est constitué de rangées de fils fins (filaments) qui sont suffisamment espacés pour griller toute la surface du pain.
Lorsque l’électricité circule dans le fil, l’énergie est transférée d’une extrémité à l’autre. Cette énergie est transportée par des électrons. Tout au long du processus, les électrons entrent en collision entre eux et avec les atomes du fil métallique, dégageant de la chaleur. Plus le courant électrique est important et plus le fil est fin, plus les collisions se produisent et plus la chaleur est produite.
Systèmes modernes de chauffage domestique
Type de transfert de chaleur : Convection
Deux types courants de systèmes de chauffage installés dans les bâtiments sont les systèmes de chauffage à air chaud et à eau chaude. Le premier utilise l’énergie thermique pour chauffer l’air, puis le fait circuler dans un système de conduits et de registres. L’air chaud sort des conduits et circule dans les pièces, repoussant l’air froid.
Alors que le second utilise l’énergie thermique pour chauffer l’eau et la pomper ensuite dans tout le bâtiment dans un système de tuyaux et de radiateurs. Le radiateur chaud rayonne l’énergie thermique à l’air environnant. L’air chaud se déplace ensuite à travers les pièces dans des courants de convection.
Lire : 10 meilleurs exemples d’énergie cinétique
CPU et autres composants électriques
Un dissipateur thermique refroidi par ventilateur sur le processeur
Type de transfert de chaleur : Convection et conduction
Le processeur, le GPU et le système sur une puce dissipent de l’énergie sous forme de chaleur en raison de la résistance des circuits électroniques. Les GPU des ordinateurs portables/de bureau consomment et dissipent beaucoup plus d’énergie que les processeurs mobiles en raison de leur complexité et de leur vitesse plus élevées.
Lire : 14 meilleurs exemples de convection avec une explication simple
Divers types de systèmes de refroidissement sont utilisés pour maintenir les microprocesseurs à des températures optimales. Un système conventionnel de refroidissement d’unité centrale de bureau, par exemple, est conçu pour dissiper jusqu’à 90 watts de chaleur sans dépasser la température maximale de jonction de l’unité centrale du bureau.
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