Chaleur et température : approche expérimentale de deux concepts délicats

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1 CONGRES PLURALISTE DES SCIENCES 2009 (Université de Mons) Chaleur et température : approche expérimentale de deux concepts délicats M. Dontaine 1, J. Plumat 2, Y. Verbist-Scieur 3, L. Zanotto 4 1 Université de Namur & Athénée Royal François Bovesse de Namur, matthieu.dontaine@fundp.ac.be 2 Université catholique de Louvain & Haute Ecole Roi Baudoin à Mons, jim.plumat@uclouvain.be 3 Université de Namur & Institut Saint-Louis à Namur, yvonne.verbist@fundp.ac.be 4 Université de Namur & Institut Saint-Joseph à Saint-Hubert, laurent.zanotto@fundp.ac.be

2 MENU 1. Introduction a) Les conceptions spontanées sur la chaleur et la température b) Transfert thermique et forme des récipients c) Optimisation et réalité industrielle 2. Mise en évidence de l agitation thermique a) Agitation thermique et température b) Mouvement brownien c) Diffusion de l encre dans l eau 3. Différence entre chaleur et température 4. Transformation complète du travail en chaleur 5. Transformation incomplète de la chaleur en travail 6. Mesure de la chaleur massique du plomb 7. Modes de propagation de la chaleur a) Conduction b) Convection c) Rayonnement 2

3 1. INTRODUCTION a) Les conceptions spontanées sur la chaleur et la température Les conceptions spontanées sont nombreuses et bien ancrées Chez tout le monde! «Chaleur» et «température» sont souvent considérés comme des synonymes : Nous disons volontiers : «Qu est-ce qu il fait chaud!» Au lieu de dire : «La température est élevée en ce jour d été!» On suppose souvent que tout apport de chaleur augmente la température d un corps! Pourtant lors d un changement de phase (vaporisation, solidification) la température ne change pas! 3

4 1. INTRODUCTION a) Les conceptions spontanées sur la chaleur et la température La chaleur et le froid sont souvent considérés comme des substances : «Ferme la porte, le froid va rentrer!» «La chaleur m est tombée dessus». Nos sens nous induisent également en erreur! Ce que nous ressentons par le toucher ce sont les conséquences des transferts thermiques : la laine est un isolant, le métal un conducteur. La température est fonction de la nature de l objet. «La laine est chaude, le fer est froid». 4

5 1. INTRODUCTION a) Les conceptions spontanées sur la chaleur et la température La laine «polaire» la plus chaude? 5

6 1. INTRODUCTION a) Les conceptions spontanées sur la chaleur et la température Concernant l utilisation des thermomètres : La température de l air estelle identique pour un thermomètre retourné? o On parle souvent de la «chute des températures» A l équilibre thermique, la température est-elle la même dans l air ou dans un verre d eau? 6

7 1. INTRODUCTION a) Les conceptions spontanées sur la chaleur et la température Les élèves confondent souvent le phénomène et la vitesse avec laquelle ce phénomène se produit Pour la situation présentée ci-contre : «lorsque l eau bout, dans quel récipient la température sera-t-elle la plus élevée?» Réponse fréquente : «dans le petit récipient». La température atteinte et la vitesse avec laquelle celle-ci est atteinte sont des notions souvent confondues. 7

8 1. INTRODUCTION b) Transfert thermique et forme des récipients Le transfert thermique est fonction des pertes pariétales. Les pertes pariétales sont fonction de la surface la sphère offre le minimum de surface pour un volume donné. 8

9 1. INTRODUCTION b) Transfert thermique et forme des récipients Le rendement thermique d une tasse : rapport entre l énergie utile et l énergie reçue. D h Avec k = D/h et a, b coefficients de conductibilité thermique. 9

10 1. INTRODUCTION b) Transfert thermique et forme des récipients Idéalement, le récipient devrait être grand (D important) et plus long que large (k petit). 10

11 1. INTRODUCTION c) Optimisation et réalité industrielle Pour un cylindre ouvert le volume V est généralement fixé. La surface S doit être minimale : avec 11

12 1. INTRODUCTION c) Optimisation et réalité industrielle Pour un poêlon (cylindre ouvert), un bon compromis est h = D/2. Pour un cylindre fermé (casserole), un bon compromis est h = D. 12

13 2. MISE EN ÉVIDENCE DE L AGITATION THERMIQUE a) Agitation thermique et température L agitation thermique d un gaz ou d un liquide Mouvement des particules (mouvement brownien), Energie cinétique E des particules : On associe la température absolue T à l énergie cinétique des particules : 13

14 2. MISE EN ÉVIDENCE DE L AGITATION THERMIQUE a) Mouvement brownien 14

15 2. MISE EN ÉVIDENCE DE L AGITATION THERMIQUE a) Mouvement brownien (1) 15

16 2. MISE EN ÉVIDENCE DE L AGITATION THERMIQUE a) Mouvement brownien (2) 16

17 2. MISE EN ÉVIDENCE DE L AGITATION THERMIQUE b) Diffusion de l encre dans l eau Vidéo : Laurent Zanotto 17

18 3. DIFFÉRENCE ENTRE CHALEUR ET TEMPÉRATURE Expérience : mesure de la température lors de l ébullition de l eau Photos : Laurent Zanotto 18

19 4. TRANSFORMATION COMPLÈTE DU TRAVAIL EN CHALEUR Expérience h Matériel 100 g de «billes» de plomb (grenaille) Tube en carton muni de deux bouchons isolants Thermomètre (précision : 0,2 C) Petit récipient de polystyrène Mode opératoire Mettre la grenaille dans le récipient de polystyrène. Relever la température initiale i de la grenaille. Verser la grenaille dans le tube. Retourner le tube 40 fois (par exemple). Reverser les billes dans le récipient et mesurer la température finale f de la grenaille après une minute. 19

20 4. TRANSFORMATION COMPLÈTE DU TRAVAIL EN CHALEUR h Expérience Résultats expérimentaux Le système étant isolé, toute l énergie potentielle est convertie en chaleur : On en déduit la chaleur massique du plomb dont la valeur de référence est de 129 J/kg.K. Comparaison : calcul de la différence relative 20

21 5. TRANSFORMATION INCOMPLÈTE DE LA CHALEUR EN TRAVAIL DESCRIPTION DE LA MACHINE À VAPEUR ÉLÉMENTAIRE PREMIER TEMPS DEUXIÈME TEMPS 2 1 CONCLUSION : Pour qu une machine thermique puisse fonctionner de manière cyclique, il faut disposer d une source chaude et d une source froide! 21

22 5. TRANSFORMATION INCOMPLÈTE DE LA CHALEUR EN TRAVAIL BILAN DES ECHANGES D ENERGIE Lors du premier temps, le système reçoit une quantité de chaleur Q 1 de la source chaude et il effectue un travail W. Le système cède donc de l énergie mécanique au milieu extérieur. Lors du deuxième temps, le système cède une quantité de chaleur Q 2 à la source froide. Reçu par le système Cédé par le système Le travail effectué par la machine est égal à la différence entre la chaleur reçue par l eau de la source chaude et la chaleur cédée par la vapeur à la source froide. 22

23 5. TRANSFORMATION INCOMPLÈTE DE LA CHALEUR EN TRAVAIL RENDEMENT D UNE MACHINE THERMIQUE Le rendement d une machine est le rapport entre l énergie utilisable et l énergie investie : Le rendement maximum théorique est donnée par : Machine T 1 (K) T 2 (K) max. th. (%) pratique (%) Locomotive à vapeur Turbine de centrale nucléaire Moteur à combustion interne

24 6. MESURE DE LA CHALEUR MASSIQUE DU PLOMB Principe n 1 de la calorimétrie : si deux corps A et B sont mis en contact et que A cède une quantité de chaleur Q à B, B reçoit la même quantité de chaleur. Principe n 2 de la calorimétrie : si une quantité de chaleur Q doit être fournie à un corps pour qu il passe de la température T 1 à la température T 2, en retour le corps cèdera au milieu extérieur la même quantité de chaleur Q en passant de T 2 à T 1. 24

25 6. MESURE DE LA CHALEUR MASSIQUE DU PLOMB Mode opératoire Verser une quantité d eau connue dans un calorimètre. Mesurer sa température. Faire fondre une masse connue de plomb. Verser le plomb fondu dans le calorimètre et le refermer aussitôt. Attendre quelques instants et mesurer la température du contenu du calorimètre. 25

26 6. MESURE DE LA CHALEUR MASSIQUE DU PLOMB Bilan des échanges d énergie L eau reçoit une quantité de chaleur Q et s échauffe. Le plomb liquide se solidifie en libérant une quantité de chaleur Q. Le plomb solide se refroidit en libérant une quantité de chaleur Q. Reçue par l eau Cédée par le plomb 26

27 6. MESURE DE LA CHALEUR MASSIQUE DU PLOMB m eau = 0,100 kg m Pb = 0,050 kg c eau = 4180 J/kg.K c sol. Pb = 23x10 3 J/kg T initiale eau = 24,0 C (297,0 K) T finale «mélange» = 31,2 C (304,2 K) T sol. Pb = 327,5 C (600,5 K) Résultats expérimentaux Valeur de référence pour la chaleur massique du plomb : 129 J/kg.K Différence relative = 2 % 27

28 6. MESURE DE LA CHALEUR MASSIQUE DU PLOMB Conclusions La chaleur massique du plomb est étonnamment petite par rapport à celle de l eau (environ 32 fois plus petite)! L inertie thermique du plomb est donc très faible. Quand on le chauffe, sa température augmente (assez) rapidement. 28

29 7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR a) Conduction Transport de chaleur à l intérieur d un milieu matériel La conduction résulte du transfert de proche en proche d un surcroît local d agitation thermique désordonnée. Expérience Matériel 1 tige de cuivre (environ 60 cm de longueur et 3 mm de diamètre) 1 bougie et des allumettes De la grenaille de plomb 1 source de chaleur (bunsen) Statif, noix et pince Mode opératoire Graduer la tige avec un marqueur indélébile (tous les 3 cm par ex.). Enduire la tige de cire de bougie. Fixer une «bille» de plomb à chaque graduation. Chauffer une extrémité de la tige. Photo : Laurent Zanotto 29

30 7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR a) Conduction Expérience Observation La cire fond et les petits plombs tombent au fur et à mesure que la chaleur se propage tout au long de la tige. Pour aller plus loin Utiliser une tige d aluminium et constater que la chaleur se propage plus lentement. Utiliser une tige de verre et constater que la chaleur ne se propage pas. Classer les matériaux en fonction de leur conductibilité thermique. 30

31 7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR b) Convection Transport de chaleur par un fluide en mouvement Expérience Photo : Laurent Zanotto 31

32 7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR c) Rayonnement Emission d ondes électromagnétiques par un corps chauffé Ne nécessite pas de milieu matériel Trouve son origine dans le mouvement désordonné d agitation thermique Expérience surprenante : comment enflammer une allumette à distance Matériel 2 réflecteurs identiques d anciens phares de voiture 1 ampoule adaptée aux réflecteurs utilisés (typiquement une ampoule halogène à deux filaments (H4) 12 V 55 W & 60 W) Alimentation adaptée à l ampoule (plusieurs ampères sont nécessaires, en pratique : un chargeur de batterie) Statifs, noix, pinces et fils de connexion Des allumettes et éventuellement un thermomètre permettant de mesurer des températures au-delà de 100 C Beaucoup de soin et de patience pour «aligner» les deux réflecteurs 32

33 7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR c) Rayonnement Expérience surprenante : comment enflammer une allumette à distance Mode opératoire Repérer préalablement le filament «feu de route» et ses connexions. Insérer l ampoule dans l un des réflecteurs, positionner l ensemble verticalement et alimenter l ampoule. Disposer le second réflecteur parallèlement au premier à environ un mètre de distance. Photos : Laurent Zanotto 33

34 7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR c) Rayonnement Expérience surprenante : comment enflammer une allumette à distance Mode opératoire Rechercher la position du foyer du second réflecteur (avec le thermomètre ou un petit morceau de papier, attention ça chauffe!). Eteindre l ampoule. Utiliser un autre statif pour placer la tête d une allumette au foyer du second réflecteur. Photo : Laurent Zanotto 34

35 7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR c) Rayonnement Expérience surprenante : comment enflammer une allumette à distance Observation Lorsqu on alimente l ampoule, l allumette s enflamme après quelques instants. Photo : Laurent Zanotto Variante Placer le «réservoir» d un thermomètre au foyer et observer l élévation de température (attention : la température augmente très rapidement). 35

36 7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR c) Rayonnement Expérience : mesure du rendement d une ampoule à incandescence Matériel 1 ampoule à incandescence à filament de petite taille (par exemple une ampoule de voiture 12 V 5 W (culot W5W)) Alimentation adaptée à l ampoule (chargeur de batterie) Ampèremètre, voltmètre et luxmètre 1 mètre ruban Statifs, noix, pinces et fils de connexion Mode opératoire Alimenter l ampoule et insérer ampèremètre et voltmètre dans le circuit. Mesurer l intensité du courant et la tension aux bornes de l ampoule. Mesurer la distance séparant l ampoule et la cellule du luxmètre. Mesurer l éclairement de l ampoule à l aide du luxmètre. 36

37 7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR c) Rayonnement Expérience : mesure du rendement d une ampoule à incandescence d Luxmètre V A Alimentation 37

38 7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR c) Rayonnement Expérience : mesure du rendement d une ampoule à incandescence Résultats expérimentaux I = 0,29 A U = 11,7 V d = 0,145 m Éclairement : E = 134 lux (remarque : 1 lux = 1/683 W/m 2 ) Conclusions Le rapport entre l éclairement mesuré et l éclairement calculé est de 0,015. Environ 1,5 % de l énergie électrique fournie à l ampoule est rayonnée, les 98,5 % restants sont dissipés sous forme de chaleur! 38

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