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Transferts de chaleur
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Température et chaleur
La température : C'est une grandeur physique qui caractérise le degrés d'agitation thermique des particules constituant la matière. Elle se mesure à l'aide d'un thermomètre. La chaleur :
C'est un transfert d’énergie thermique.
Entre deux corps de températures différentes il peut y avoir un échange de chaleur jusqu'à ce que les deux corps soient à la même température, c'est à dire jusqu'à l'équilibre thermique.
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Les 3 modes de transfert de chaleur
Convection Rayonnement Conduction
Le transfert d'énergie thermique (de chaleur) entre deux corps s'effectue toujours du corps chaud vers le corps froid, selon trois modes de transfert possibles :
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La convection
La convection est un mode de transfert thermique qui s'effectue dans un fluide (gaz ou liquide) avec un déplacement de matière.
Le fluide chaud est plus léger que le fluide froid et monte, laissant la place à de la matière plus froide qui va s'échauffer à son tour...
→ Le film illustrant ce phénomène ←
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Le rayonnement
Le transfert d'énergie par les ondes électromagnétiques est appelé rayonnement
Selon la nature du photon reçu par la matière il peut y avoir soit transformation chimique, soit agitation des particules élémentaires, c'est à dire un échauffement de la matière.
Et l'effet de serre alors ??? Qu'estce que c'est ?
→ Dessin animé expliquant le principe de l'effet de serre ←
→ Une animation pour plus de détails... ←
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La conduction
La conduction est un mode de transfert thermique, qui s'effectue sans transport de matière.
L'agitation des particules élémentaires se transmet de proche en proche.
La grandeur qui caractérise le comportement d'un matériau lors d'un transfert thermique par conduction est sa conductivité thermique :
λ qui s'exprime en W.m1.°C1
→ Animation : conduction thermique ←
Exemples :
λcuivre
= 386 W.m1.°C1
λfer
= 73 W.m1.°C1
λverre
= 1,2 W.m1.°C1
λbois
= 0,2 W.m1.°C1
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Le flux thermique
Un corps chaud échange avec l'extérieur, pendant une durée Δt, la quantité de chaleur Q, selon les trois modes de transfert thermique...
Le flux de transfert thermique est défini par :
ϕ=QΔt
Quantité de chaleur en Joule
C'est une Énergie
Durée en secondes
Flux de transfert thermique en
Watt
C'est une Puissance
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Coefficient de transmission thermique
θC
θF
θF <
θ
C
Le flux dépend de plusieurs facteurs :
La différence de température entre les deux milieux
La surface qui sépare les deux milieux
La matière qui sépare les deux milieux.
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Coefficient de transmission thermique
θC
θF
θF <
θ
C
ϕ=K G .S.(θC−θF )
Coefficient de transmission thermique global en W.m2.°C1
Caractéristique de la matière qui sépare les deux milieux
Surface de séparation en m2
Flux de transfert thermique en Watt
Écart de température en °C
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Résistance thermique
A l'inverse quand c'est la qualité d'isolation thermique qui nous intéresse, dans le cas de vétements chauds (protégeant du froid), ou dans l'habitat, on s'intéresse davantage à la notion de résistance thermique :
RG=1
K G
La résistance thermique caractérise la propriété d'un matériau à « résister au flux de chaleur »...
Quelle est son unité ? RG s'exprime en m2.°C.W1.
Pour les vêtements, on utilise une autre unité : 1 clo = 0,155 m2.°C.W1
...Qui permet de maintenir l'équilibre thermique d'une personne au repos dans une pièce à 21°C
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Transfert de chaleur à travers un mur
Q
Epaisseur e (en m)
ϕ =QΔt
=S.(θC−θF )
R
R est la résistance thermique de la paroi, elle indique sa capacité à ralentir le transfert de chaleur.
Plus sa valeur est grande plus la paroi est isolante.
R est proportionnelle à l'épaisseur « e » du matériau, et inversement proportionnelle à la conductivité thermique « » du λmatériau.
R =eλ
Epaisseur du mur en m
Résistance thermique en m2.K.W1
Conductivité thermique en W.m1.K1
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A vous de jouer !
→ Quel est le flux de transfert thermique à travers un m² de la couche de béton ?
→ A votre avis, quel est le flux de transfert thermique à travers un m² de la couche de matériau isolant « Néopor » ?
→ Quelle est la résistance thermique de la couche de béton (d'épaisseur 20 cm) sachant que la conductivité thermique du béton est : λ
béton = 0,17 W.m1.K1
Rbéton =eλbéton
=0,20,17
= 1,2 m².K.W −1
ϕ =S.(θC−θF )
R béton
=1.(19,91−19,45)
1,2= 0,38W
Exactement le même puisque il faut bien que la quantité de chaleur qui va traverser le bloc de Néopor aie traversé au préalable la couche de béton... Et c'est aussi la quantité de chaleur qui traverse le mur entier !
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A vous de jouer !
→ Quelle est la résistance thermique des couches de Néopor et de béton réunies ?
Rneopor+béton =S.(θC−θF)
ϕ
Rneopor+béton =1.(19,91+9,91)
0,38= 78,5 m².K.W−1
→ Que peuton remarquer ?
→ En déduire la résistance thermique de la couche de Néopor et la comparer à celle du béton.
Rneopor =S.(θC−θF)
ϕ =1.(19,45+9,91)
0,38= 77,3 m².K.W−1
≫Rbéton
Rneopor+béton = Rneopor + Rbéton
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Transfert de chaleur à travers un mur constitué
de plusieurs couches de matériaux différents
Les résistances thermiques des différentes couches s'ajoutent pour former celle du mur complet :
RMUR
= R1 + R
2 + R
a + R
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Exercice d'application :
→ Quelle est la résistance thermique d'un simple vitrage d'épaiseur 4 mm, sachant que la conductivité thermique du verre est λ
verre = 1,2 W.m1.K1 ?
→ Quelle est la résistance thermique d'un double vitrage d'épaiseur 4164 mm, sachant que la conductivité thermique de l'air est λ
air = 2,5 . 102 W.m1.K1 ?
R verre =eλverre
=0,0041,2
= 3,33.10−3 m².K.W −1
Rair =eλair
=0,016
2,5.10−2 = 0,64 m².K.W−1
R Double vitrage = R verre+R air+Rverre = 3,33.10−3+0,64+3,33.10−3
= 0,65 m².K.W −1
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Transfert thermique par rayonnement
On peut observer les zones « chaudes » avec une caméra infra-rouge, car c'est principalement dans ce domaine de longueur d'onde que le rayonnement du à la chaleur apparaît
Ponts thermiques dans une habitation :
La longueur d'onde émise dépend de la température du corps
http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/thermo/corpnoir.html
CalorimétrieChangements d'états
L'eau peut se trouver dans trois états physiques différents..
L'eau peut se trouver dans trois états physiques différents..
Changement d'état physique
Changement d'état physique de l'eau
Gaz, Liquide et Solide
https://www.youtube.com/watch?v=6_EYOzi3fiI
Changement d'état physique
Tous les corps peuvent en principe exister sous ces trois états... quatre états ?
Transferts de chaleur et changements d'état
Transfert de chaleur et changements d'état
Chaleur Massique
Q = m.c.(θFinal - θInitial) = ΔU
La capacité thermique massique (symbole c), anciennement appelée chaleur massique est la quantité d'énergie à apporter par échange thermique pour élever d'un kelvin la température de 1kg d'une substance.Elle s'exprime en J.K-1.kg-1
Du coup la quantité de chaleur reçu ou fournie lors d'un changement de température s'exprime :
Le changement d'état physique d'un corps pur s'accompagne d'un transfert d'énergie :
Q = m.L = ΔU
La chaleur latente « L » de changement d'état est l’énergie apportée à un système pour faire passer 1 kg d'un corps pur d'un état physique à un autre. Elle s'exprime en J.kg-1
Du coup la quantité de chaleur reçu ou fournie lors d'un changement d'état s'exprime :
Chaleur Latente
Transfert énergétique accompagnant le changement d'état physique d'un corps pur :
https://www.youtube.com/watch?v=qzqnZGoUQp0
Exo : A partir de cette vidéo, déterminer la capacité thermique massique et la chaleur latente de solidification de l'eau.
● 80 kWh sont soutirés à un volume d'eau de 860 L pour le faire passer de 80°C à 0°C.● La même quantité d'énergie doit être soutirée pour transformer ce même volume d'eau à 0°C en glace à 0°C
ΔU = − 80 kWh = − 80.103× 3600 = − 288.106 J = − 288 MJ
ΔU = m⋅c⋅(θFinal − θ Initial) = m⋅L
Capacité thermique massique de l ' eau : c =ΔUm⋅(θFinal − θ Initial )
c =−288.106
860 × (0 − 80)= 4185 J.K−1 . kg−1
Chaleur latente de solidification de l ' eau : L =ΔUm
=−288.10 6
860= 335 kJ.kg−1
Changements d’état et chaleurs latentes relatifs à l’eau.
Les chaleurs latentes correspondent à des transformations à la pression atmosphérique (1013 hPa) et à 0°C.
A 100°C, le cycle condensation/évaporation requiert une chaleur latente de 2250 J/g.
Changement de phase de l'eau à la pression atmosphérique
Diagramme d'état de l'eau
Un diagramme d'état (P, T) permet de déterminer la phase dans laquelle se trouve l'eau pour une pression et une température donnée.
Diagramme de phase de l'eau
La courbe de fusion a la particularité d’avoir une pente négative. Cela se traduit par le fait que l’eau sous forme solide occupe à masse égale un volume plus important que l’eau sous forme liquide (une bouteille plastique pleine d’eau liquide placée au congélateur éclate lorsqu’elle se solidifie).
Diagramme de phase de l'eau
Le point triple est le point où il y a coexistence de l’eau sous trois états : liquide + vapeur + solide. Les coordonnées de ce point pour l’eau sont :TT = 273,16 K (0,01°C.) et PT = 0,006 atm.
Diagramme de phase de l'eau
Le point critique est caractéristique de la courbe d’équilibre liquide-vapeur. Au delà du point critique, on ne peut plus distinguer la vapeur et le liquide. Le point critique de l’eau a pour coordonnée Tc = 370°C et Pc = 218 atm.
(1) Au niveau de la mer ou la pression atmosphérique vaut 1 atm, l’eau bout à 100°C. En haute montagne en revanche, la pression est plus faible qu’au niveau de la mer.
(2) Par exemple, à une altitude d’environ 3 000 m, la pression est de l’ordre 0,7 atm et la température d’ébullition de l’ordre de 91°C.
(3) Au sommet du Mont Blanc elle est de 83°C
(4) Au sommet de l’Everest elle est d’environ 74°C.
Cela signifie qu’à cette altitude il est impossible d’avoir de l’eau à plus de 74°C, ce qui rend difficile la préparation d’un thé ou d’un café bien chaud !!
Exemples
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MachinesThermiques
Les moteurs thermiques
Le moteur stirling
Le moteur stirling (vidéo)
L'animation de Geneviève Tulloue sur le moteur stirling
Machines thermiques
Les machines thermiques permettent de produire :
du froid (réfrigérateur),
du chaud (pompe à chaleur)
ou du travail (moteur thermique) à partir de sources de chaleur uniquementExemples :
Le moteur à 4 temps Le moteur diesel Le moteur stirling
Les moteurs thermiques
Le moteur à 4 temps ou moteur à explosion
L'animation de Geneviève Tulloe sur le moteur à explosion
Les moteurs thermiques
Le moteur diesel
Animation de Geneviève Tulloue sur le moteur Diesel
Le réfrigérateur
La pompe à chaleur
