Les objectifs du chapitre :

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1 Propriétés thermiques des matériaux Chapitre 2 Les matériaux ont des propriétés physiques et mécaniques différentes lorsqu ils sont soumis à des changements de température. Il est nécessaire de prendre en compte ces propriétés lors de le conception de bâtiments ou d ouvrages d arts : comme ici ce joint de dilatation entre les différentes partie du tablier d un pont. Les objectifs du chapitre : La liste des points à travailler pour l évaluation 2-1 Définir les échelles de température Celsius et Kelvin. Mesurer des températures. 2-2 Caractériser la dilatation d un matériau par un coefficient de dilatation linéaire Constater expérimentalement les dilatations linéaire, surfacique et volumique d un matériau. Calculer l ordre de grandeur des dilatations linéaire, surfacique et volumique d un matériau. 2-5 Nommer les différentes transformations d états physiques de la matière. 2-6 Associer un changement d état macroscopique à l évolution des interactions entre les entités à l échelle microscopique. 2-7 Établir par la mesure un classement des capacités thermiques de différents matériaux. 2-8 Appliquer la conservation de l énergie à l étude des transferts thermiques d un système avec le milieu extérieur avec et sans changement d état. 2-9 Décrire les différents modes de transfert thermique. G.PASIN Sciences Physiques BTS Bât et TP 1

2 Pour prendre un bon départ Je m auto-évalue sur les points que je dois connaitre pour bien aborder ce chapitre 1 Question Citer deux unités de températures (autre que le Fahrenheit) Pts /1 2 Donner le lien entre ces deux unités /1 1 Donner la relation entre énergie E, puissance P et durée Δt. /1 2 Comment définiriez vous la notion de puissance avec des mots simples. /1 Total /1 Réponses 1- Degré Celcius ( C) et kelvin (K) (Attention on ne dit pas Degré Kelvin mais kelvin) 2- T( C) = T(K) P=E/Δt 2- La puissance dont l unité est le W (ou joule par seconde J/s) mesure le débit de l énergie. ou encore La puissance mesure la vitesse d un transfert d énergie. G.PASIN Sciences Physiques BTS Bât et TP 2

3 Les activités TP3 Un problème avec un portail de ferronnier! Monsieur Jean a acheté une vielle ferme du coté des Cammazes. Il est particulièrement fier du très large et imposant portail en fer forgé qui marque l entrée de sa nouvelle propriété.dès les premières grosses chaleurs de l été, il est déçu et se confie à un ami : «Je ne comprend dès qu il fait un peu soleil et chaud, j ai du mal à ouvrir mon portail car les deux ventaux frottent leur sur l autre!» Son ami lui répond : «C est normal ça fait toujours ça avec le fer. En plus si ton portail était CHAPITRE 2 Propriétés thermiques des matériaux moins long tu n aurais pas ce problème... La preuve tu n as pas ce problème avec le portillon qui est moins large.» Les 2 vantaux qui frottent l un sur l autre L imposant portail et le portillon de la propriété de M.Jean Une explication au problème 1. Répondre à la problématique «Pourquoi le portail s ouvre mal les jours de chaleur» de manières scientifique ; émettre un hypothèse et proposer une expérience. 2. Réaliser l expérience et noter les résultats expérimentaux. Exploitation des résultats 3. Exploiter les résultats expérimentaux à l aide du logiciel Regressi. Pour cela aidez vous de la fiche méthode «Utilisation du logiciel Regressi». 4. Rédiger une conclusion en établissant «la loi de dilatation thermique». 5. Montrer que l unité du coefficient de dilatation linéaire α est le K Rechercher sur internet le coefficient de dilatation linéaire de quelques métaux. 7. Comparer la valeur théorique à vos résultats expérimentaux. G.PASIN Sciences Physiques BTS Bât et TP 3

4 TP4 Un chauffe eau électrique Un chauffe eau électrique est constitué d une cuve, isolée thermiquement, qui contient de l eau destinée à être chauffée. L eau que contient la cuve est chauffée au moyen d un résistance électrique. On rappelle que la puissance thermique dissipée par effet joules est égale à Pjoules=U I = R I 2. On rappelle aussi que l énergie fournie par système est égale à E=P Δt et que l on note l énergie thermique, aussi appelée chaleur, Q. Ci-dessous vous trouverez la notice d un catalogue de constructeur de chauffes eau électriques. Les activités G.PASIN Sciences Physiques BTS Bât et TP 4

5 Les activités CHAPITRE 2 Propriétés thermiques des matériaux Questions préliminaires sur la notice constructeur 1. Sans faire de calcul et en observant les modèles 100 litres et 200 litres, que peut-on dire de l énergie à fournir pour chauffer 100 ou 200 litres d eau. 2. En réalisant un calcul, estimer l énergie nécessaire pour 1kg d eau de 1 C. Cette grandeur est appelée capacité calorifique massique et est notée Ceau. 3. Donner la relation entre : Q la chaleur fournie Ceau la capacité calorifique meau la masse d eau à chauffer ΔT la variation de température On précisera les unités de chaque grandeur. Détermination de la capacité calorifique massique de lʼeau 4. Réaliser le montage présenté cicontre. 5. Introduire dans le calorimètre de 300g d eau. 6. A l aide du voltmètre, de l ampèremètre et d un chronomètre, mesurer la chaleur Q1 nécessaire pour augmenter la température de l eau de 5 C. 7. Réaliser la même expérience avec 600g d eau. On notera Q2 la chaleur nécessaire. Le calorimètre possède lui aussi une capacité calorifique Ccal : Q=Ccal ΔT. La chaleur fournie par la résistance sert donc réchauffer l eau mais aussi le calorimètre. 8. Montrer que l on a le système de deux équations à deux inconnus suivant : Q1 5 = c eau 0.3+C cal Q 2 5 = c eau 0.6+C cal 9. Calculer à partir de vos résultats la capacité calorifique de l eau et du calorimètre. 10. Pour l eau comparer avec la valeur théorique ceau=4180 J kg -1 K -1. D où provient l écart avec la valeur trouvée à la question 2? 11. Peser le vase intérieur du calorimètre qui est en aluminium. Déterminer calu à partir de Ccal. 12. Pour l aluminium comparer avec la valeur théorique calu=897 J kg -1 K -1. G.PASIN Sciences Physiques BTS Bât et TP 5

6 TP5 Poêle de masse et chauffages par accumulation Le poêle de masse Un poêle de masse ou poêle à accumulation est un appareil de chauffage, utilisé depuis la nuit des temps qui compte sur des matériaux lourds (pierre, brique, béton) pour accumuler l'énergie d'une flambée rapide et intense (environ 2 h) et restituer longuement la chaleur une fois le feu éteint (jusqu'à plus de 24 h). La diffusion de chaleur se fait notamment par rayonnement infrarouge. Radiateur électrique par accumulateur Un accumulateur de chaleur est un appareil accumulant la chaleur pour la restituer ensuite. Ce principe est notamment utilisé dans des appareils de chauffage électrique, qui contiennent une masse importante de matériaux réfractaires (souvent sous forme de briques), destinée à être chauffée par des résistances électriques au cours des «heures creuses», qui sont des périodes de bas tarif du prix de l'électricité. La chaleur accumulée est ensuite restituée par convection. Les activités Poêle par de masse moderne G.PASIN Sciences Physiques BTS Bât et TP 6

7 Les activités Questions préliminaires 1. Pourquoi réalise-t-on des économies avec un radiateur électrique par accumulation. 2. Pour chauffer une pièce avec un poêle ou un poêle de masse il faut rigoureusement la même énergie. Il faut donc bruler la même quantité de bois. Quelle est alors l utilité d utiliser d un poêle de masse par rapport à un poêle classique. 3. Quels sont les deux paramètres physiques importants pour les matériaux utilisés pour l accumulation de chaleur. 4. Rappelez la relation donnant la chaleur Q emmagasiné par un objet lors d une élévation de température ΔT. CHAPITRE 2 Propriétés thermiques des matériaux Matériau c (en J.Kg -1.K -1 ) Béton/Brique 880/840 Acier 440 Aluminium 897 Eau L acier serait il un bon matériau pour l accumulation? 6. Pourquoi les variations de températures sont elles moins brusques dans un climat océanique que dans un climat continental? 7. Quelle sont les différences de phénomènes lors de la restitution de la chaleur avec un poêle de masse et un radiateur électrique accumulateur? Nos ancêtres lointains ont domestiqué le feu il y a au moins ans. Il s est avéré un allié puissant qui permettait d éloigner les animaux sauvages, cuire et conserver les aliments, se chauffer, s éclairer, travailler certains matériaux... Pour la cuisine, cuire la viande ne posait pas de problème, mais pour cuire des légumes, il était impossible de les mettre trop prés du feu sous peine de les Détermination de la capacité calorifique de différents matériaux 8. En vous inspirant de ces faits historiques, rédigez un protocole expérimental permettant de mesurer la capacité calorifique de l acier et de la pierre. Pour ce la vous disposez de : un calorimètre un thermomètre une balance 400 ml d eau 200g d acier 200g de pierre 9. Réalisez cette expérience. carboniser. N ayant pas de récipient capable de résister longtemps à la flamme, il fallait trouver une autre solution. Nos ancêtres ont eu une idée originale : ils remplissaient un récipient d eau, puis ils faisaient chauffer des pierres autour du feu. Lorsque les pierres étaient chaudes, ils les plongeaient dans l eau. Exploitation des résultats 10. Exprimez Qmatériau la chaleur perdue par le corps chaud. Quel est son signe? 11. Exprimez Qeau la chaleur gagnée par l eau froide. Quel est son signe? 12. Dans un calorimètre les fuites de chaleur sont quasi nulles. Que relation peut-on écrire entre Qmatériau et Qeau? 13. Calculer les capacités calorifiques de la pierre et de l acier. Questions facultatives 14. Pour ce précédent calcul, nous avons oublié de considérer la capacité calorifique du calorimètre : Q=Ccal ΔT. Recalculez les capacités calorifiques en tenant compte de Ccal. G.PASIN Sciences Physiques BTS Bât et TP 7

8 I. Température et chaleur 1.Echelles de température 2.Etats physiques et température 3.Chaleur Plan du Cours 4.Modes de transfert de la chaleur (transferts thermiques) II. Dilatation thermique 1.Dilatation linéaire Matériau α (en K -1 ) Matériau α (en K -1 ) Béton Verre Acier Aluminium Invar Nylon Dilatation surfacique et volumique III.Capacité calorifique massique Matériau c (en J.Kg -1.K -1 ) Matériau c (en J.Kg -1.K -1 ) Béton/Brique 880/840 Verre 840 Acier 440 Air 1000 Aluminium 897 Eau 4180 G.PASIN Sciences Physiques BTS Bât et TP 8

9 Exercices Des exercices pour acquérir chacun des objectifs du cours Objectifs 2-2, 2-3 et Chemin de fer La température d un rail de chemin de fer peut varier de -10 C en hiver à plus de 50 en été. 1.Calculer l ampleur de la dilatation d une section de 1 km de rail. 2. Que doit-on prévoir pour éviter les désagréments de la dilatation thermique visibles sur la photo ci-contre? 2. Utilisation des bilame Un bilame est un dispositif composé de deux métaux différents soudés l un à l autre. Par exemple un bilame de fer et de laiton : 3. Un thermostat de radiateur électrique est composé d un bilame comme indiqué sur le schéma suivant. La parti rigide FQ peut pivoter autour du point fixe F 3.1. Expliquer le rôle du bilame dans la régulation de température Quel est le rôle de la vis V? 3. Viaduc de Millau Le viaduc de Millau est le pont routier le plus haut du monde. Il est construit sur 7 piles de béton armé dont la plus haute mesure 245m (mesure à 20 C). La longueur du tablier du pont est de 2,46 km. 1. Que se passe-t-il lorsque l on chauffe le bilame? (α laiton K -1 et α fer K -1 ) 2. Comment va s incurver le bilame numéro 3? 1. Quel est l allongement du tablier lorsque la température passe de 0 C à 40 C? 2. Quelle est la hauteur de plus haute pile lorsque la température extérieure est de 40 C? G.PASIN Sciences Physiques BTS Bât et TP 9

10 Objectifs 2-7 et Chauffage d un local Un local est ouvert en plein hiver après une longue période d inactivité. L'air et les parois en béton (murs, plafond et sol) sont à la température de 0 C. On souhaite chauffer ce local à température de 20 C. 1. Calculer le volume de l air puis la masse d air à chauffer. 2. Calculer le volume de béton puis la masse de béton à chauffer. 3. La quantité de chaleur Qair nécessaire pour porter à 20 C la température de l'air du local. 4. La face intérieure des murs étant à la température de 20 C et celle extérieure à 10 C, nous prendrons une température moyenne des murs à 10 C. Calculer la quantité de chaleur Qbéton nécessaire pour porter à 10 C la température des parois en béton. 5. Conclure. 6. Calculer le coût du chauffage sachant. Données : dimensions du local en mètres Lxlxh=11,0x7,0x3,0 épaisseur du béton pour les murs le sol et le plafond : e=20 cm masse volumique de l'air ρair=1,25 kg/m 3 masse volumique du béton ρair=2200 kg/m 3 capacité thermique massique de l'air cair=1000 J kg -1 K -1 capacité thermique massique du béton cair=840 J kg -1 K Température de mélanges On considère qu'il n'y a pas de perte de chaleur lors du mélange. 1. Dans un chauffe électrique, il reste 50 l d'eau à 70 C. La cuve du chauffe eau est re remplie en ajoutant 100 l d'eau à 15 C. Calculer la température de l eau si l on ouvre le robinet d eau chaude juste après le remplissage. 2. On plonge 4 kg de fer à 200 C dans 10 l d eau à 20 C. Calculer la température finale. 3. On dispose d'une pièce en cuivre de 800 g chauffée à 450 C. On souhaite la refroidir à une température inférieur à 50 C en la plongeant dans de l'eau à 10 C. Calculer le volume d'eau minimal. Données de capacité thermique massique eau ceau=4180 J kg -1 K -1 fer cfer=440 J kg -1 K -1 cuivre ccuivre=390 J kg -1 K -1 Exercices G.PASIN Sciences Physiques BTS Bât et TP 10

11 Utilisation du logiciel Regressi CHAPITRE 2 Propriétés thermiques des matériaux 1.Créer un nouveau fichier Ouvrir le logiciel Créer un nouveau fichier de données : Fichier > Nouveau > Clavier Rentrer les noms des variables expérimentales ΔL et T: Fiche Méthode Symbole : DeltaL Unité : μm Symbole : T Unité : C (le logiciel comprend les unités) 2.Description de la fenêtre Il existe plusieurs menus : Grandeur Graphe Fourrier Stat Vous vous trouvez dans le Menu Grandeur qui comporte plusieurs sous menus : Paramètres Variables Expression 3.Saisie des résultats expérimentaux Menu : Grandeur Sous menu : Variables Rentrer les valeurs expérimentales 4.Saisir une grandeur calculée On souhaite définir la nouvelle grandeur ΔT = T - T initiale : Menu : Grandeur Sous menu : Expression Taper DeltaT=T-20.5 (par exemple si T initiale =20.5 C) Cliquer sur Màj qui doit passer au vert Pour vérifier la création de ΔT : Menu : Grandeur Sous menu : Variables Vérifier la création de la nouvelle variable Cliquer sur la case vide en dessous de DeltaT Une fenêtre apparaît entrer C dans unité G.PASIN Sciences Physiques BTS Bât et TP 11

12 5.Saisie d un paramètre d expérience Pour définir la longueur initiale du barreau L 0 = 21.1 cm : Menu : Grandeur Sous menu : Expression Taper Lo=21.1_cm (Regressi comprend l unité) Cliquer sur Màj qui doit passer au vert Regressi indique qu il a compris l unité Pour vérifier la création de L 0 : Menu : Grandeur Sous menu : Paramètres Vérifier la création du nouveau paramètre 6.Tracé du graphe expérimental Pour tracer le graphe ΔL=f(ΔT) : Menu : Graphe Sous menu : Axes Définir abscisse et ordonnée : Abscisse : DeltaT Ordonnée : DeltaL Vous pouvez choisir une série d option (couleur, points...) Cliquer sur OK 7.Modélisation des résultats d expérience Pour souhaite modéliser par notre hypothèse ΔL=α* L 0 *ΔT : Dérouler le menu : Modélisation à gauche du graphe Rentrer le modèle DeltaL = alpha * Lo * DeltaT Cliquer sur Ajuster Vérifier que le modèle concorde avec vos résultats Relever la valeur et l unité du coefficient de dilatation linéaire α G.PASIN Sciences Physiques BTS Bât et TP 12