Transferts Thermiques - Physique Appliquée
Chapitre 6- Transferts Thermiques : Questionnements. Comment réduire sa
facture de chauffage. Quel critère pour l'isolation. Comment perd-on de la
chaleur.
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Chapitre 6- Transferts Thermiques : Questionnements
Comment réduire sa facture de chauffage
Quel critère pour lisolation
Comment perd-on de la chaleur
Pourquoi quand on se rapproche du soleil en altitude il ne fait pas plus chaud
Effet mpemba (eau chaude gèle plus vite que de leau à froide)
HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Mpemba#cite_note-13" http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Mpemba#cite_note-13
Chapitre 6- Transferts Thermiques : Expérimentations
Influence du revêtement de sol sur le transfert thermique
Si lon mesure les températures dune pièce, la nature du corps sur lequel on mesure ne change pas la température :
Carrelage : 17,8°C
Plastique : 18°C
Métal : 18°C
Bois : 18°C
Tous les corps sont à la même température, malgré tout, la sensation de chaleur est différente suivant les matériaux que lon touche.
Les divers corps semblent évacuer différemment la chaleur que lon génère.
Plus le matériau évacue la chaleur, plus la sensation de froid est importante
EMBED Word.Picture.8
Expérience sur le transfert de la chaleur de divers matériaux :
Réaliser le montage ci-contre puis régler la puissance de chauffe au thermostat 1, laisser préchauffer 10 min.
Ensuite placer le matériau sur le support et on relève la température après 3 minutes.
On fait la même manipulation pour les autres revêtements. Compléter le tableau suivant :
RevêtementBois contreplaquéBois
StratifiéCarrelageTempérature (°C)39,340,742,2Quel type de revêtement doit-on placer au dessus de la résistance chauffante pour quil conduise le mieux la chaleur.
Le carrelage est le revêtement qui permet le meilleur transfert de chaleur.
Le carrelage est donc moins isolant (ou plus conducteur) que le bois.
Influence de lépaisseur dune paroi sur la résistance thermique
Réaliser le même montage ci-dessus puis régler la puissance de chauffe à un niveau moyen et on le fait chauffer pendant 10 minutes, ensuite placer une plaque de bois de 10 mm dépaisseur et relever la température après 3 minutes.
Refaire la même manipulation pour des épaisseurs de bois différentes et compléter le tableau suivant :
Epaisseur bois(mm)102030Température (°C)39,331Epaisseur carrelage (mm)61218Température (°C)42,23728,4Lépaisseur de la paroi a-t-elle une influence sur le transfert de chaleur ?
1) Oui, lépaisseur de la paroi influe sur le transfert de chaleur. Le transfert de chaleur diminue lorsque lépaisseur de la paroi augmente.
2) Les paramètres à prendre en compte sont :
le type de matériau
lépaisseur de ce matériau : plus elle sera grande, meilleure sera lisolation.
Approche de la détermination dune résistance thermique :
Le cube est très isolé sur ses 5 faces.
Seule une face est constituée du matériau à étudier.
Lapport de puissance se fait de manière électrique par le biais dune lampe à incandescence.
On mesure la température grâce à deux thermocouples placés de part et dautre du matériau à étudier.
Si on suppose que toute la puissance séchappe par le matériau testé.
EMBED Word.Picture.8 Alors EMBED Equation.DSMT4
P est la puissance en W traversant la paroi
S est la surface de la paroi en m²
(1-(2 est la différence de température de part et dautre de la paroi en degrés Celsius ou Kelvin
e lépaisseur de la paroi
( : coefficient de conductivité thermique en W.m-1.K-1
Interprétation de cette formule, plus facilement compréhensible sous la forme EMBED Equation.DSMT4
Elle traduit donc le fait que plus la puissance donnée traversant la paroi est importante plus lécart de température est important.
Pour une puissance donnée, si lon augmente la surface déchange, la différence de température va baisser de façon à garder la puissance constante
Pour une puissance donnée, si lon augmente lépaisseur, la différence de température va augmenter de façon à garder la puissance constante
Le coefficient reliant la puissance P à EMBED Equation.DSMT4 dépend du matériau, comme il est placé au numérateur, sil augmente, lécart de température doit diminuer, donc il traduit la facilité de passage de la puissance, on lappellera donc ( : coefficient de conductivité thermique.
S=42cmx42cmStyrodur
e=24 mm
P=22,4 W
(int= 57,8°C
(1= 56°C
(2= 26,5°C
(ext= 21°CBA13
e=13 mm
P=22,2 W
(int= 51,1°C
(1= 43,1°C
(2= 31,6°C
(ext= 20°COn observe que pour une même puissance de chauffage la température atteinte lorsquon est isolé avec du styrodur est plus élevée quavec du BA 13.
Lisolation permet donc pour une même puissance de chauffage datteindre une température intérieure plus importante. EMBED Equation.DSMT4 W.m-1.K-1
La littérature donne des coefficients plutôt compris entre 0,02 et 0,03 W.m-1.K-1
EMBED Equation.DSMT4 W.m-1.K-1
La littérature donne des coefficients plutôt compris autour de 0,46.
Causes derreurs dans la manipulation:
EMBED Equation.DSMT4
Il faut bien attendre la stabilisation en température (le styrodur a une inertie (vitesse de montée en température ) plus faible que le BA 13), la stabilisation en température du BA 13 était donc moins bonne que celle du styrodur.
La puissance mesurée est peut-être plus faible (on mesure la puissance électrique alors que ce qui nous intéresse est la puissance thermique de la lampe).De plus on a omis le fait quune partie de la puissance a pu partir par les autres parois.
La surface est peut-être plus grande que ce que lon a mesuré
Lécart de température devrait être plus grand pour que notre résultat se rapproche de celui de la littérature (notre thermocouple nest peut-être pas très en contact avec la paroi)
Lépaisseur est peut-être plus petiteEtude de diverses configurations: maquette de maison
S=22,7 cm x 31,5 cmBois
e= 24 mm
P=17,6 W
(int= 41,9°C
(1= 41°C
(2= 25,7°C
(ext= 21°C
(paroi= 40,2°CBrique alvéolée
e= 24 mm
P=17,6 W
(int= 40 °C
(1= 36,9°C
(2= 27,5°C
(ext= 21°C
(paroi= 38,5°C EMBED Equation.DSMT4
La littérature donne des coefficients plutôt compris entre 0,10 et 0,25 W.m-1.K-1
EMBED Equation.DSMT4
La littérature donne des coefficients plutôt compris entre 1,10 et 1,5 W.m-1.K-1 pour de la brique pleine.
La nôtre étant alvéolée, cest normal que lon trouve un coefficient plus faible
Comment seffectuent les transferts thermiques dans les gaz ? :
Réaliser le montage ci-contre en utilisant un tube en verre. Allumer une seconde bougie et la placer sous le coude de façon à ce que la flamme chauffe lair contenu dans le tube. Observer la flamme de la bougie placée à lentrée du tube.
1) Comment réagit la flamme de la première bougie lorsque lon chauffe lair dans le tube ?
2) Comment expliquer ce phénomène ?
3) Comment la chaleur circule-t-elle dans la pièce chauffée ? INCLUDEPICTURE "http://www.retrouversonnord.be/fichiers_site/chandelle.jpg" \* MERGEFORMATINET SHAPE \* MERGEFORMAT
1) La flamme de la première bougie est aspirée dans le tube.
2) Le chauffage de lair à lintérieur du tube engendre un mouvement de convection de lair partant du point le plus bas vers le point le plus haut. La flamme sincline vers lentrée du tube, sous leffet de ce mouvement dair.
3) Dans une pièce chauffée lair chaud se déplace par convection, il monte et est remplacé par lair froid qui descend pour se réchauffer à son tour au contact du plancher chauffant.
Chapitre 6- Transferts Thermiques : Cours
Capacités exigibles
Compétences
1Rechercher, extraire et organiser linformation utile,2Réaliser, manipuler, mesurer, calculer, appliquer des consignes3Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à laide dun langage adapté4Raisonner, argumenter, pratiquer une démarche expérimentale ou technologique, démontrer,Capacités
Thème : Habitat
Sous-Thème : Gestion de lénergie dans lhabitat
Notions et Contenus :
3. Transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement. Flux thermique, résistance thermique. Caractéristiques thermique
H.3.10.1Prévoir le sens d'un transfert thermique entre deux systèmes dans des cas concrets ainsi que leur état final Ex 1-2-11-12-19H.3.11.2Décrire qualitativement les trois modes de transfert thermique en citant des exemples. Ex résolu-4-19-20-21 H.3.12.3Réaliser expérimentalement le bilan thermique d'une enceinte en régime stationnaire. Activité doc, Expérimentation, Ex résoluH.3.13.2Expliciter la dépendance entre la puissance rayonnée par un corps et sa température. Ex 8-9-10-18-22H.3.14.2Citer le lien entre la température d'un corps et la longueur d'onde pour laquelle l'émission de lumière est maximale. Ex 18-H.3.15.2Mesurer l'énergie échangée par transfert thermique Ex 3 - Expérimentation Ex 19
Thème : Vêtements et revêtements
Sous-Thème : Propriétés des matériaux
Notions et Contenus :
19. Transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement.
V.19.59.0Décrire qualitativement les trois modes de transfert thermique en citant des exemples20. Flux thermique
V.20.60.1Classer des matériaux selon leurs propriétés isolantes, leur conductivité thermique étant données. Activité expérimentale 1 Ex 5-12-13V.20.61.3Définir la résistance thermique Ex 6-7-14-15-1721. Conductivité thermique des matériaux. Résistance thermique
V.21.62.3Déterminer la résistance thermique globale d'une paroi d'un système constitué de différents matériaux Activité expérimentale :
Transmission de la chaleur :
Sens de transfert thermique entre deux corps
Dans lexemple dune habitation, en hiver la maison cède de la chaleur au milieu extérieur, alors quen été, la maison reçoit de la chaleur du milieu extérieur. Donc, on peut conclure :
Un transfert dénergie thermique entre deux corps seffectue toujours du corps chaud vers le corps froid.
EMBED Word.Picture.8
Ex 1-2
Différents modes de transfert thermique :
Il existe 3 modes de transfert thermique :
INCLUDEPICTURE "http://www.beodom.com/assets/images/education/principles-thermal-insulation/heat-transmittance-means.jpg" \* MERGEFORMATINET
Transfert de la chaleur par conduction :
Lorsque les molécules s'échauffent à la surface d'un corps sous l'effet du rayonnement solaire, elles transmettent cette chaleur aux molécules voisines ; et de proche en proche, la chaleur captée se répartit dans toute la masse du corps, jusqu'à atteindre à l'uniformité des températures.
La CONDUCTION est le mode de transport de chaleur qui nous est le plus familier : Lorsque deux corps sont en contact, la chaleur passe de l'objet le plus chaud vers l'objet le plus froid.
Le phénomène de conduction se fait par un "courant de chaleur". Il n'y a par contre aucune propagation de la matière au cours de ce processus. C'est un phénomène au cours du quel lénergie est transférée par la collision des particules (atomes et molécules) des corps. INCLUDEPICTURE "http://www.vtaide.com/png/images/conduction2.jpg" \* MERGEFORMATINET
INCLUDEPICTURE "http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/12/Conduction_chaleur_barreau_regime_stationnaire.svg/616px-Conduction_chaleur_barreau_regime_stationnaire.svg.png" \* MERGEFORMATINET Transfert de la chaleur par convection :
La CONVECTION est un mode de transport de la chaleur qui consiste en un déplacement de fluide. La convection est due à l'effet de la température sur la densité du fluide.
Propagation de la chaleur dans un fluide, due à une variation de température entraînant le déplacement des molécules. Ici, leau chauffée se dilate, sélève et cède sa chaleur à lair.
Exemple : Une pièce est chauffée par convection par un radiateur électrique (déplacement de lair). INCLUDEPICTURE "http://www.vtaide.com/png/images/convection2.jpg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://faraday.physics.uiowa.edu/images/4b20.10.jpg" \* MERGEFORMATINET
HYPERLINK "http://faraday.physics.uiowa.edu/heat/4B20.10.htm"http://faraday.physics.uiowa.edu Transfert de la chaleur par rayonnement :
Ce mode de transfert est basé sur la perte d'énergie d'un corps sous forme de rayonnement, c'est à dire l'émission d'ondes électromagnétiques par un corps qui se propage même dans le vide. INCLUDEPICTURE "http://img0.mxstatic.com/sdo/l-energie-solaire-transmise-par-rayonnement-rend-possible-la-vie-sur-terre-par-apport-de-chaleur-et-de-lumiere-permettant-la-presence-d-eau-a-l-etat-liquide-credit-photo-nasa_20086_w460.jpg" \* MERGEFORMATINET La chaleur des braises se propage par rayonnement, avec un maximum démission thermique situé dans linfrarouge.
Quand un corps est porté à une très haute température, l'énergie cinétique (de mouvement) des particules du corps entraîne une augmentation de l'énergie des électrons. Les électrons vont alors retourner dans leur état normal en perdant cette énergie sous forme d'un rayonnement électromagnétique.
Exemple : Le rayonnement solaire, concentré à l'aide d'une loupe sur une petite surface de papier, entraîne un échauffement local de celui-ci, suffisant pour l'enflammer.
ConvectionRayonnement Diffusion thermique PrincipeDéplacement de matière et donc de chaleur suivant le principe dArchimèdeTransport dénergie par le biais du champ électromagnétiqueVibrations ou chocs dans la matière (molécules et électrons) se propageant de proche en proche des milieux chauds vers les milieux froid ce qui est une application du second principeVide NonOuiNonSolideNonOui, si transparentOuiFluideOuiOui, si transparentOui
Ex 4-11-12
Transfert thermique par conduction :
Flux thermique à travers une paroi (() :
Dans le cas dune paroi pleine daire "S",
dépaisseur "e",
constituée dun matériau de conductivité thermique "(" ;
la face chaude de la paroi est à la température "(1", la face froide est à la température "(2".
(E : Energie échangée ou la quantité de chaleur transférée par conduction à travers la paroi de la face chaude à la face froide, pendant (t.
Le flux thermique est alors défini par la loi de Fourier :
EMBED Equation.DSMT4 EMBED Word.Picture.8
( : flux thermique (W)( t : durée en (s)( E : quantité de chaleur (J)S : aire en (m2)( : température en (K)RTh : résistance thermique en (m2.K.W-1) Conductivité thermique (() :
Certains matériaux conduisent moins la chaleur, ce qui se répercute par une différence de température de part et dautre de leur paroi plus importante. Cette capacité dépendante du matériau est caractérisée par un coefficient de conductivité thermique ( (Lambda)
Définition : La conductivité thermique ( (Lambda) dun matériau exprime sa capacité à conduire la chaleur par conduction et qui seffectue dans le sens des températures décroissantes.
Elle sexprime en (W.m-1.K-1) ou (W.m-1.°C-1).
Matériau( en W.m-1.K-1ClassificationPolyuréthane0,025Bon isolantair0,026Polystyrène extrudé0,03Soie0,04Laine de chanvre0,04Polystyrène expansé0,04Perlite exfoliée0,05Laine de coco0,05Liège expansé0,05Panneaux de fibre de bois0,05Laine de lin0,035 à 0,038Ouate de cellulose0,035 à 0,040Laine de roche 0,038 à 0,047Laine de verre0,034 à 0,056Vermiculite exfolliée0,05 à 0,07Chanvre en vrac0,05 à 0,07Brique de chanvre0,12Conducteur moyenPapier0,13Bois de sapin0,13Huile moteur0,15Brique monomur0,11 à 0,18Bois0,10 à 0,25Béton cellulaire0,16 à 0,24Placoplatre0,46Eau0,58Bloc de terre comprimée1,05Brique de terre crue1,1Brique de terre cuite1,15Verre1,2Béton plein1,75Pierre lourde2,1 à 3,5acier46 à 52Bon conducteurFer73Cuivre386
Remarques :
Plus ( est petit, plus le matériau est isolant.
Lair est un mauvais conducteur thermique : sa conductivité thermique est 20 000 fois plus faible que celle du cuivre.
Résistance thermique (RTh) :
La résistance thermique (RTh) de la paroi indique la capacité à ralentir le transfert thermique
La résistance thermique est donc inversement proportionnelle à la conductivité thermique, proportionnelle à la lépaisseur.
Plus sa valeur est grande, plus la paroi est isolante. La résistance thermique est donnée par :
EMBED Equation.DSMT4 et EMBED Equation.DSMT4 EMBED Word.Picture.8 Classiquement les fabricants disolant donnent le paramètre EMBED Equation.DSMT4 de leur isolant
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Word.Picture.8 EMBED Equation.DSMT4 EMBED Word.Picture.8 Ex 3-5-6-7-Nathan résolu p89-13-14-15-16-17-19-20-21
Transfert thermique par rayonnement :
Puissance rayonnée par un corps (() :
Un corps porté à une température T émet un rayonnement électromagnétique. La puissance rayonnée par une surface "S" ou flux thermique est donnée par la loi de Stefan : (modèle du corps noir) :
EMBED Equation.DSMT4 ( : puissance rayonnée en "W"( : 5,67.10-8W.m-2.K-4. Constante de StefanS : aire de la surface qui rayonne en m2.T : température du corps en K.Remarque :
La pose de ce revêtement recouvert dune feuille daluminium a pour but de limiter les pertes par rayonnement.
Les radiateurs à rayonnement infrarouge sont souvent utilisés pour chauffer les terrasses de café. INCLUDEPICTURE "http://www.direct-isolation.com/Files/29961/Img/17/pose-charpente1.jpg" \* MERGEFORMATINET
Spectre démission et température dun corps :
Le spectre démission dun corps chauffé à une intensité maximale pour une longueur donde notée (Max. La loi de Wien permet de calculer cette longueur donde (Max en fonction de la température T.
EMBED Equation.DSMT4
B : 2,9.10-3 en (K.m)
T : température en (K)
(Max : longueur donde en (m) EMBED Word.Picture.8 La longueur donde du maximum dintensité émise diminue lorsque la température du corps augmente.
HYPERLINK "http://phet.colorado.edu/sims/blackbody-spectrum/blackbody-spectrum_en.html" http://phet.colorado.edu/sims/blackbody-spectrum/blackbody-spectrum_en.html
Ex 8-9-10-18-27
Ex 21
Chapitre 6- Transferts Thermiques : Exercices
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 1 p 88 : QCM
H.3.10.
Enoncé
Lorsqu'un corps chaud est mis au contact avec un corps froid, un transfert thermique s'effectue du corps :
Q' a) le plus chaud vers le plus froid
Q' b) le plus froid vers le plus chaud
Q' c) il n'y a pas de transfert thermique
Solution
a) le plus chaud vers le plus froid
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 2 p 88 : QCM
H.3.10.
Enoncé
Lorsque deux corps sont mis au contact, l'équilibre thermique est atteint lorsque :
Q' a) la température des deux corps est la même
Q' b) les conductivités thermiques des deux corps sont égales
Q' c) le transfert thermique cesse
Solution
a) et c) la température des deux corps est la même et le transfert thermique cesse
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 3 p 88 : QCM
H.3.15.
Enoncé
Un transfert thermique de 250 J pendant 5 s à travers une paroi correspond à un flux thermique de :
Q' a) 1 250 W
Q' b) 0,02 W
Q' c)50W
Solution
Le flux EMBED Equation.DSMT4
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 4 p 88 : QCM
H.3.11.
Enoncé
Les modes de transfert thermique sont :
Q' a) conduction et convection
Q' b) convection et rayonnement
Q' c) conduction, convection et rayonnement Solution
c) conduction, convection et rayonnement
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 5 p 88 : QCM
H.20.60.
Enoncé
Un matériau, bon conducteur thermique :
Q' a) est un mauvais isolant
Q' b) a une conductivité thermique élevée
Q' c) est utilisé pour économiser l'énergieSolution
a) est un mauvais isolant
b) a une conductivité thermique élevée
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 6 p 88 : QCM
H.20.61.
Enoncé
Une paroi en béton de conductivité thermique
(= 1,7 W.m-1.K-1 et d'épaisseur e = 20 cm a une résistance thermique égale à :
Q' a) 12 m2.K.W-1
Q' b) 0,12 m2.K.W-1
Q' c) 8,5 m2.K.W-1
Solution
EMBED Equation.DSMT4 m2.K.W-1
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 7 p 88 : QCM
H.20.61.
Enoncé
Un mur de résistance thermique
Rth com = 0,25 m2.K.W-1et de surface S = 4 m² sépare deux espaces de températures respectives (1= 5 °C et (2 = 20 °C. Le flux thermique ( traversant ce mur vaut :
Q' a) 240 W
Q' b) 240 J
Q' c) 25 W
Solution
Comme la résistance thermique définie par EMBED Equation.DSMT4 permet de déterminer un flux /m² EMBED Equation.DSMT4
Ou en revenant aux formulations plus générales : EMBED Equation.DSMT4
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 8 p 88 : QCM
H.3.13.
Enoncé
Un corps porté à une température T émet un rayonnement électromagnétique. Dans le modèle du corps noir, lorsque sa température T est divisée par 2, sa puissance rayonnée est :
Q' a) divisée par 16
Q' b) divisée par 2
Q' c) multipliée par 2Solution
EMBED Equation.DSMT4
Le puissance ( ou flux) en W est proportionnel à T4
Donc si on divise T par 2 , la puissance sera divisée par (1/2)4=1/16
EMBED Equation.DSMT4
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 9 p 88 : QCM
H.3.13.
Enoncé
Une paroi de surface S = 2 m² portée à une température T = 320 K émet un rayonnement électromagnétique. Dans le modèle du corps noir, sa puissance vaut :
Q' a) 1,2 x 10-2 W
Q' b) 1,2 W
Q' c) 1,2kWSolution
EMBED Equation.DSMT4
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 10 p 88 : QCM
H.3.14.
Enoncé
La longueur d'onde (max du maximum d'émission d'une paroi portée à une température T = 320 K vaut :
Q' a) 105 m
Q' b) 9 µm
Q' c) 0,96 m
Solution
EMBED Equation.DSMT4 soit 9 µm
EMBED Word.Picture.8
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 11 p 90 : Radiateur et température
H.3.10.
Enoncé
On coupe un radiateur contenant de l'eau à la température ( = 45 °C, dans une pièce dont la température demeure constante et vaut (i= 20 °C.
1. Dans quel sens se font les échanges thermiques entre l'eau et la pièce ?
2. Quelle sera la température de l'eau dans le radiateur lorsque l'équilibre thermique sera atteint ?
Solution
Les échanges se font du radiateur vers la pièce
Le radiateur va se mettre à léquilibre thermique avec la pièce dont la température est constante à 20°C, le radiateur sera à 20°C
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 12 p 90 : Carrelage et parquet
H.3.10.
H.20.60.
Enoncé
La température d'un salon est constante et vaut 20 °C. Au sol, on trouve un parquet en bois près du coin télévision et du carrelage partout ailleurs. Une femme marche pieds nus, elle a une sensation désagréable de froid lorsqu'elle marche sur le carrelage plutôt que sur le parquet en bois.
L'équilibre thermique entre le carrelage, le parquet en bois et l'air de la pièce est atteint. Quelle est la température du carrelage, du parquet en bois ?
La température moyenne du corps humain est de 37 °C. Indiquer dans quel sens se font les transferts thermiques lorsque la femme marche pieds nus sur le carrelage ou sur le parquet.
La conductivité thermique d'un parquet en bois est plus faible que celle d'un carrelage. Quel matériau conduit le mieux la chaleur ? Pourquoi la femme n'éprouve-t-elle pas la même sensation de froid lorsqu'elle marche pieds nus sur le carrelage et sur le parquet en bois ?
Solution
A léquilibre thermique, tout est à 20°C
Le transfert thermique se fait de la femme vers le sol
Le carrelage conduit mieux la chaleur, le carrelage puise davantage dans la chaleur du corps doù la sensation de froid.
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 13 p 90 : Conductivité thermique comparée de différents matériauxH.20.60.
Enoncé
Au laboratoire de physique, on possède un dispositif en forme d'étoile à 4 branches métalliques (une grande branche et 3 branches en aluminium, cuivre et fer) reliées entre elles. À l'extrémité des 3 branches, on colle un petit bouchon en cire, puis à l'aide d'un bec Bunsen, on chauffe l'extrémité de la grande branche. On constate que les bouchons en cire se décollent dans l'ordre chronologique suivant: bouchon sur lame de cuivre - bouchon sur lame d'aluminium - bouchon sur lame de fer.
1. Pourquoi les bouchons se décollent-ils ?
2. Quel métal a la conductivité thermique la plus élevée ?
3. Quel métal a la conductivité thermique la plus faible ?
Solution
Les bouchons se décollent car lextrémité arrive à la température de fusion de la cire
Le cuivre à la conductivité thermique la plus élevée
Le fer à la conductivité thermique la plus faible
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 14 p 90 : Calcul d'une résistance thermique H.20.61.
Enoncé
Calculer la résistance thermique Rth d'un mur en béton d'épaisseur e = 15 cm. La conductivité thermique du béton est (= 1,7 W.m-1.K-1.Solution
La résistance thermique en K.W-1.m² est EMBED Equation.DSMT4
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 15 p 90 : Un vêtement qui ne manque pas d'air !
H.20.61.
Enoncé
Ci-après un extrait de texte vantant les qualités d'une polaire :
« Le concept qui rend l'isolation Thinsulate TM si efficace est en réa-lité simple. Tout isolant thermique fonctionne grâce à la capacité des brins à stocker de l'air. Plus il y a d'air stocké, plus le matériau est isolant. Plus de fibres en moins d'espace donnent plus de surface où l'air peut être stocké. Les polaires Thinsulate sont réalisées avec des fibres ayant un diamètre inférieur à 10 microns (10-6 m), ce qui est environ 10 fois plus fin qu'un cheveu humain, et peut ainsi stocker plus d'air dans un espace plus réduit que n'importe quelle autre matière utilisée dans les produits textiles. »
1. Expliquer la phrase suivante : « Tout isolant thermique fonctionne grâce à la capacité des brins à stocker de l'air. Plus il y a d'air stocké, plus le matériau est isolant.
2. Quelle grandeur physique est modifiée lorsque la quantité d'air emprisonnée augmente ?
3. Pourquoi recherche-t-on à réduire la taille des fibres dans la fabrication de cette polaire ?
Solution
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 16 p 91 : Le matériau mystère
H .20.61.
Enoncé
Le flux thermique par conduction à travers un mur de surface S = 20 m² et d'épaisseur e = 20 cm vaut (= 210 W. La température intérieure vaut (1 = 22 °C et la température extérieure (2 = 8 °C.
1. Calculer la conductivité thermique ( du matériau avec lequel est fait le mur.
2. Quel est le matériau composant ce mur ?
Données : conductivité thermique (W.m-1K-1) :
- bois de sapin : 0,15
- Placoplatre : 0,46
- béton plein : 1,7
Solution
EMBED Equation.DSMT4 donc on extrait ( de cette expression
EMBED Equation.DSMT4
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 17 p 91 : Isolation d'un chalet savoyard
H.20.61.
Enoncé
Un mur d'un chalet savoyard est composé de l'extérieur vers l'intérieur d'un habillage en bois de sapin d'une épaisseur de 3 cm, d'un mur en béton plein de 18 cm, d'une couche de laine de verre de 10 cm et d'une paroi de placoplâtre (BA13) d'épaisseur 13 mm.
1. Calculer la résistance thermique Rth du mur du chalet.
2. Quelle devrait être l'épaisseur d'un mur d'un chalet traditionnel uniquement constitué de bois de sapin possédant la même résistance thermique que le mur du chalet de la question précédente ?
Données: conductivité thermique (W.m-1K-1)
- bois de sapin : 0,15
- laine de verre : 0,041
- Placoplatre : 0,46
- béton plein : 1,7
Indication : la résistance thermique d'un matériau composé de plusieurs matériaux est la somme des résistances thermiques de ces matériaux.
Solution
1.
EMBED Equation.DSMT4
Si on veut la même résistance thermique avec du bois il faut que
EMBED Equation.DSMT4
Il faut donc une épaisseur de 41 cm de bois pour être équivalent à lassemblage précédent
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 18 p 91 : Des corps rayonnants !
H.3.13.
H.3.14.
Enoncé
1. Rappeler la relation entre la température T d'un corps T et la longueur d'onde (max pour laquelle l'intensité rayonnée est maximale.
2. Calculer (max pour la puissance rayonnée par le corps humain. Ce rayonnement est-il visible ?
3. Même question pour le Soleil dont la température de surface vaut T= 5,4 x 103 K.
Solution
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4 soit 9300 nm domaine infrarouge
EMBED Equation.DSMT4 soit 537 nm
EMBED Word.Picture.8
ChapitreTitreCapacitéCompétence6 Transferts thermiquesNathan Ex 19 p 91 : Étude expérimentale de la conduction thermique H.3.10.
H.3.11.
H.3.15.
H.19.59.
Enoncé
Dans une enceinte calorifugée (pas de pertes dénergie) , on place au contact deux blocs de métal de mêmes masses portés initialement par bain-marie aux températures (1i=70 °C et (2i=30°C.
Chaque bloc dispose d'un petit trou dans lequel on place une sonde thermométrique et on relève la température des deux blocs toutes les 10 s grâce à un système d'enregistrement informatisé.
On obtient les courbes ci-contre.Les métaux sont-ils de bons ou de mauvais conducteurs de la chaleur ?
Dans quel sens se font les transferts thermiques entre les deux blocs ? Pour quelle raison a-t-on calorifugé l'enceinte ?
Quel est le mode de transfert thermique entre les deux blocs ?
Comment évolue la température (1 du bloc de métal 1 ?
Comment évolue la température (2 du bloc de métal 2 ?
Pourquoi les deux températures tendent-elles vers une même valeur ? Que vaut-elle ?
On rappelle que le transfert thermique reçu par un corps est :
EMBED Equation.DSMT4
avec EMBED Equation.DSMT4 (en J),
m la masse du corps (en kg),
c la capacité thermique massique (en J. kg-1.°C-1)
(i la température initiale (en °C) et (f la température finale du corps (en °C).
Calculer le transfert thermique reçu par le bloc 2 au cours de la transformation.
Même question pour le bloc 1. Que signifie le fait que le transfert thermique reçu par le bloc 1 soit négatif ?
Pour les applications numériques, on prendra deux blocs de même masse m =100 g et de capacité thermique massique c = 9,0 x 102 J. kg-1.°C-1.
Montrer que la température d'équilibre théorique entre les deux blocs est EMBED Equation.DSMT4 .
Comparer à la valeur obtenue expérimentalement.
Estimer à l'aide de la courbe le temps au bout duquel l'équilibre thermique est atteint.
Solution
Les métaux sont de bons conducteurs de la chaleur
Le transfert thermique se fait du chaud vers le froid
On a calorifugé lenceinte, pour avoir une bonne précision de mesure en limitant au maximum les pertes dénergie vers lextérieur (pour être plus précis il faudrait comptabiliser laugmentation de température de lair intérieur)
Le transfert thermique seffectue par conduction (agitation des atomes transmise de proche en proche mais sans déplacement de la matière)
Le bloc 1 voit sa température diminuer puis stagne à une valeur
Le bloc 2 voit sa température augmenter puis stagne à une valeur
Ils tendent vers une température commune car au bout dun certain temps il ny a plus déchange thermique. On lit que lon a une température de 50°C
a.
EMBED Equation.DSMT4
Le bloc 2 gagne une énergie de 1,8 kJ
b . Le bloc 1 lui perd cette énergie de 1,8 kJ
EMBED Equation.DSMT4
Pour déterminer la température finale, il suffit de comptabiliser les énergies de chaque bloc de départ, les rassembler et comprendre que la température finale homogène de lensemble donnera la même quantité dénergie :
Initialement les énergies des deux blocs sont :
EMBED Equation.DSMT4
Donc le système détient une énergie globale EMBED Equation.DSMT4
Au final les énergies des deux blocs sont :
EMBED Equation.DSMT4
Comme il ny a pas de pertes
EMBED Equation.DSMT4
Donc
EMBED Equation.DSMT4
Si les corps sont de même nature et de même masse
EMBED Equation.DSMT4
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