Chapitre 10 : Quels sont les différents transferts thermiques dans l habitat?
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- Edmond Damours
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1 Chapitre 10 : Quels sont les différents transferts thermiques dans l habitat? G. GREDAT Cours de 1STL 23 février 2017 G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
2 Introduction 3 modes de transfert thermique : G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
3 Introduction 3 modes de transfert thermique : ➀ La convection ➁ La conduction ➂ Le rayonnement G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
4 La convection thermique Sens d un transfert thermique Plan du cours 1 La convection thermique Sens d un transfert thermique La convection : un transfert efficace 2 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Notion de résistance thermique Isolation d un habitat 3 Le rayonnement thermique Puissance rayonnée par un corps Spectre d émission et température d un corps G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
5 La convection thermique Sens d un transfert thermique Rappel L agitation thermique tend à s uniformiser. Transfert d énergie thermique (flux) spontané : DU CHAUD VERS LE FROID! G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
6 La convection thermique Sens d un transfert thermique Analogie L agitation tend à s uniformiser. Wagon Plein Wagon Vide Transfert de personnes (flux) spontané : DU PLEIN VERS LE VIDE! G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
7 La convection thermique La convection : un transfert efficace Plan du cours 1 La convection thermique Sens d un transfert thermique La convection : un transfert efficace 2 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Notion de résistance thermique Isolation d un habitat 3 Le rayonnement thermique Puissance rayonnée par un corps Spectre d émission et température d un corps G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
8 La convection thermique La convection : un transfert efficace La convection Le transfert thermique par convection se fait par déplacement de matière (courant de convection) au sein d un fluide (gaz ou liquide). Remarque : En approchant sa main, on se brûle «plus loin» en arrivant au dessus (par convection) qu en arrivant de côté (par rayonnement). G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
9 La convection thermique La convection : un transfert efficace Expériences de convection Expérience en classe Expérience à la maison : la casserole G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
10 La convection thermique La convection : un transfert efficace Expérience en vidéo G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
11 La convection thermique La convection : un transfert efficace Chauffage par convecteurs thermiques G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
12 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Plan du cours 1 La convection thermique Sens d un transfert thermique La convection : un transfert efficace 2 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Notion de résistance thermique Isolation d un habitat 3 Le rayonnement thermique Puissance rayonnée par un corps Spectre d émission et température d un corps G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
13 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
14 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Conduction et loi de Fourier La conduction thermique Le transfert thermique par conduction se fait par communication de l agitation thermique de proche en proche sans déplacement de matière. G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
15 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Conduction et loi de Fourier La conduction thermique Le transfert thermique par conduction se fait par communication de l agitation thermique de proche en proche sans déplacement de matière. Énergie thermique transférée par unité de temps = flux ou puissance thermique Φ (en W) : prop. à l écart de température (en K) : quand T = T 1 T 2 ր alors Φ ր ; prop. à la surface S (en m 2 ) : quand S ր alors Φ ր ; inversement prop. à l épaisseur e (en m) : quand e ր alors Φ ց. G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
16 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Conduction et loi de Fourier La conduction thermique Le transfert thermique par conduction se fait par communication de l agitation thermique de proche en proche sans déplacement de matière. Énergie thermique transférée par unité de temps = flux ou puissance thermique Φ (en W) : prop. à l écart de température (en K) : quand T = T 1 T 2 ր alors Φ ր ; prop. à la surface S (en m 2 ) : quand S ր alors Φ ր ; inversement prop. à l épaisseur e (en m) : quand e ր alors Φ ց. Loi de Fourier Φ = λ S T e Coef. de prop. λ appelé conductivité thermique en W.m 1.K 1. G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
17 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Expérience en vidéo et en vrai... Les conductivités thermiques du Cuivre, du laiton, du Fer et du Zinc sont-elles les mêmes? Si non, laquelle est plus grande? G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
18 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Expérience en vidéo et en vrai... λ Cu > λ Zn > λ laiton > λ Fe G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
19 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Quelques conductivité thermiques Matériau λ (W.m 1.K 1 ) Classification Air sec 0,02 Polystyrène 0,03 Laine de Verre 0,04 Bois 0,10 à 0,25 Placoplâtre 0,46 Verre 1,2 Béton plein 1,7 Cuivre 390 G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
20 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Quelques conductivité thermiques Matériau λ (W.m 1.K 1 ) Classification Air sec 0,02 Bon Isolant Polystyrène 0,03 Bon Isolant Laine de Verre 0,04 Bon Isolant Bois 0,10 à 0,25 Conducteur moyen Placoplâtre 0,46 Conducteur moyen Verre 1,2 Conducteur moyen Béton plein 1,7 Conducteur moyen Cuivre 390 Très bon conducteur G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
21 La conduction thermique Notion de résistance thermique Plan du cours 1 La convection thermique Sens d un transfert thermique La convection : un transfert efficace 2 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Notion de résistance thermique Isolation d un habitat 3 Le rayonnement thermique Puissance rayonnée par un corps Spectre d émission et température d un corps G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
22 La conduction thermique Notion de résistance thermique Plus la résistance thermique d un matériau est grande, plus il est isolant! On définit R th telle que : Φ = S (T 1 T 2 ) R th La loi de Fourier implique : R th = e λ en m2.k.w 1 G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
23 La conduction thermique Notion de résistance thermique Exercice Vaut-il mieux isoler thermiquement une maison avec une paroi de 10 cm d épaisseur en béton ou bien 1 cm en polystyrène? Données : λ béton = 0, 90 W.m 1.K 1 λ polystyrène = 0, 035 W.m 1.K 1 G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
24 La conduction thermique Notion de résistance thermique Exercice Vaut-il mieux isoler thermiquement une maison avec une paroi de 10 cm d épaisseur en béton ou bien 1 cm en polystyrène? Pour une paroi de 10 cm d épaisseur en béton : R th = = 0, 11 m 2.K.W 1. 0, 90 Alors que 1 cm de polystyrène : R th = = 0, 29 m 2.K.W 1 > 0, 11 m 2.K.W 1 0, 035 meilleure isolation! G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
25 La conduction thermique Notion de résistance thermique Analogie thermique / électrique Thermique Courant thermique : Φ/S Différence de température : T = T 1 T 2 Loi de Fourier : T = R th Φ/S Électrique Courant électrique : I Différence de potentiel (Tension) : U = V 1 V 2 Loi d Ohm : U = R I G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
26 La conduction thermique Isolation d un habitat Plan du cours 1 La convection thermique Sens d un transfert thermique La convection : un transfert efficace 2 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Notion de résistance thermique Isolation d un habitat 3 Le rayonnement thermique Puissance rayonnée par un corps Spectre d émission et température d un corps G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
27 La conduction thermique Isolation d un habitat Résistance thermique totale d une paroi La résistance thermique d une paroi est la somme des résistances thermiques de toutes les couches qui la composent. R th = R th1 + R th2 + R th3 + R th4. Analogue à la mise en série de résistances électriques! G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
28 Le rayonnement thermique Puissance rayonnée par un corps Plan du cours 1 La convection thermique Sens d un transfert thermique La convection : un transfert efficace 2 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Notion de résistance thermique Isolation d un habitat 3 Le rayonnement thermique Puissance rayonnée par un corps Spectre d émission et température d un corps G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
29 Le rayonnement thermique Puissance rayonnée par un corps Un brasier rayonne dans l IR proche G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
30 Le rayonnement thermique Puissance rayonnée par un corps Puissance rayonnée et température Le rayonnement thermique Tout corps chaud porté à la température T émet un rayonnement électromagnétique qui se propage même dans le vide. La puissance (en W) rayonnée par une surface S (en m 2 ) est reliée à T (en K) par la loi de Stefan : Φ = σ S T 4 ր quand T ր avec σ = 5, W.m 2.K 4 : constante de Stefan «L expression mathématique de la loi de Stefan n est pas exigible : l élève doit cependant savoir que la puissance rayonnée varie dans le même sens que la température.» G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
31 Le rayonnement thermique Spectre d émission et température d un corps Plan du cours 1 La convection thermique Sens d un transfert thermique La convection : un transfert efficace 2 La conduction thermique Flux thermique et conductivité thermique Notion de résistance thermique Isolation d un habitat 3 Le rayonnement thermique Puissance rayonnée par un corps Spectre d émission et température d un corps G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
32 Le rayonnement thermique Spectre d émission et température d un corps Loi de Wien Tout corps chaud émet un rayonnement polychromatique dont l intensité par un maximum à la longueur d onde notée λ max λ max = B T 1 T avec B = 2, m.k. «L expression de la loi de Wien n est pas exigible : l élève doit savoir que la longueur d onde au maximum d émission est inversement proportionnelle à la température du corps.» G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
33 Le rayonnement thermique Spectre d émission et température d un corps De la constellation d Orion... G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
34 Le rayonnement thermique Spectre d émission et température d un corps... aux terrasses des cafés G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
35 Le rayonnement thermique Spectre d émission et température d un corps Exercice 14 p. 76, Exercice 20 p.77, Exercice 17 p.91, Exercice 18 p.91, Exercice 21 p G. GREDAT (Cours de 1STL) Transferts thermiques 23 février / 35
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