L énergie s exprime en joules (J)

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1 I Les différents types d énergie L énergie peut prendre plusieurs formes : Ici on trouve l énergie cinétique, l énergie calorifique et l énergie lumineuse. Ici on trouve l énergie de changement d état, l énergie potentielle de pesanteur, et l énergie mécanique (forces magnétiques). II Notion d énergie II.1 - Introduction L énergie est une ressource capable de générer sur un système une ou plusieurs des actions suivantes : un changement d état d une partie du système (vaporisation, solidification ) une production de chaleur (élévation de température) une production de rayonnements électromagnétiques (lumière ) le travail de forces mécaniques Énergie thermique ou Chaleur Travail L énergie s exprime en joules (J) 1

2 II.2 Les unités de l énergie Joules (J) calorie (cal) 1 cal = 4,18 J (1 calorie = énergie pour élever la température d 1 gramme d eau de 1 degré) Calorie (Cal) 1 Cal = 1 kcal = 4180 J 1 Calorie = énergie pour élever la température d 1 kg d eau de 1 degré kilowatt heure 1 kwh = 3600 kj (unité EDF) Attention, il existe la petite calorie (notée «cal» pour élever un gramme d eau de 1 C) et la grande calorie (notée «Cal» pour élever la température de 1 kilogramme d eau de 1 C). III Notion de chaleur On parle de «quantité de chaleur» C est un transfert d énergie observable parce qu il génère des modifications de température. Comme toutes les énergies, ce transfert s exprime en joules (J). On pourra estimer une quantité de chaleur échangée par un système, en mesurant sa variation de température, et en connaissant les caractéristiques thermiques du milieu. IV La température IV.1 Introduction Au zéro absolu (zéro kelvin, soit C), on considère que les molécules de tout corps s immobilisent. Pour toute température supérieure à zéro kelvin, les molécules des corps s agitent et génèrent : une énergie calorifique : l agitation moléculaire des rayonnements électromagnétiques À la température de 0 C la glace fond, à 100 C l eau bout. Températures de changement d état dépendantes de la pression (données ici à la pression atmosphérique de 101,3 kpa). Cette échelle de 0 à 100 définit le degré Celsius. 2

3 IV.2 Les unités de la température Le degré Celsius C Le degré Kelvin K T( K) = T( C) + 273,15 Le degré Fahrenheit F T( F) = 5/9 T( C) + 32 V Notion de transfert d énergie Un transfert est un déplacement géographique d une grandeur, généralement (mais pas obligatoirement) dans le sens d un équilibrage des valeurs de cette grandeur. La chaleur va généralement du corps le plus chaud vers le corps moins chaud. Il est cependant possible de prendre de l énergie à un corps froid, et d en donner à un corps chaud (principe de la pompe à chaleur ) V.1 Notion de puissance (ou flux d énergie) un transfert d énergie n est jamais instantané, la vitesse de transmission d énergie est appelée puissance, La puissance est une énergie échangée en une seconde, exprimée en Watt (W). ΔE P = Δ T A énergie transférée fixée, plus le transfert est rapide, plus la puissance est élevée Un radiateur d une puissance de W produit en une heure une énergie de 1 kwh. V.2 flux (d énergie) thermique surfacique Le flux thermique est la notion essentielle d évaluation des transferts thermiques. Le flux informe sur la direction de l échange thermique, son sens, et son intensité. Quantité d énergie échangée pendant une unité de temps à travers une surface 3

4 V.3 Transfert (d énergie) thermique A chaque fois qu on touche un objet chaud ou froid, un transfert thermique s opère, du chaud vers le froid. Les transferts peuvent cependant se faire sans contact, et sans changement de température. Transfert thermique du milieu le plus chaud vers le milieu le plus froid, Équilibre naturel des températures, Plusieurs formes d énergie thermique : Chaleur sensible (température modifiée) Chaleur latente (température constante, enthalpie de changement d état) V.4 Chaleur sensible Qs L élévation de température d un corps, pour une énergie fournie, est inversement proportionnelle à la masse du corps, et à sa capacité thermique massique. Pour accumuler de l énergie sans augmenter la température, on peut augmenter la masse du système. Le produit Masse x Capacité Calorifique définit l inertie thermique du système. Énergie apportée au système sous forme de chaleur et provoquant uniquement une élévation de Température Ex : je chauffe de l eau et je mesure sa T qui augmente La chaleur sensible Q sensible est fonction de : la variation de Température mesurée ΔT, la masse du système M, la capacité thermique massique du système C en J.kg -1.K -1 4

5 V.5 Capacité thermique ou capacité calorifique C La capacité thermique massique est aussi appelée «capacité calorifique». C est la quantité d énergie à apporter à un corps pour provoquer une élévation de sa température de 1 Kelvin (ou 1 C), sans changement d état du système. notée C et exprimée en en J.kg -1.K -1, dépend du matériau, plus C est grand, plus il faut d énergie pour élever la température. Un kilogramme d eau transporte 4 fois plus d énergie qu un kg de béton, à températures équivalentes. C est un bon fluide caloporteur. La laine de verre n accumule pas beaucoup de chaleur parce que les épaisseurs mises en œuvre représentent une faible masse. Si on dispose la même masse de laine de verre que la masse des murs en béton, on accumule presque autant de chaleur dans les deux matériaux. En été, une forte capacité thermique est nécessaire pour stocker l énergie solaire sans augmenter la température de l habitat. Matériau C (J.kg - 1.K -1 ) Air 1000 Eau 4200 Béton 900 Laine de verre 670 Bois 2700 Alu 880 Acier 470 V.6 Etude de cas A - Chauffe eau solaire Soit un chauffe eau solaire avec les caractéristiques suivantes : T entrée = 25 C, T sortie = 60 C et C eau = 4200 J.Kg -1.K -1 Quelle énergie pour chauffer le ballon d eau chaude de capacité 300 litres? 5

6 B - Exercice sur la température et la chaleur Une bouilloire électrique a pour puissance P 1 kw lorsqu'elle est alimentée par la prise secteur (tension efficace de 230V). On y place 1 L d'eau à 10 C. Quelle est l énergie nécessaire pour faire bouillir l eau? (on suppose que toute la chaleur émise par la résistance électrique sert à chauffer l'eau) En combien de temps l'eau va bouillir? 6

7 VI Chaleur latente L VI.1 Introduction La notion de chaleur latente est utilisée dans les machines thermiques (climatiseurs, pompes à chaleur ), puisque les échanges d énergie se font lors des phases de vaporisation et condensation. De nouveaux isolants dits «à changement de phase» se développent. Ils contiennent des bulles de cire qui fondent au soleil et se solidifient la nuit afin d accumuler l énergie thermique sans provoquer de hausse de température. C est l apport de chaleur qui provoque un changement d état du système (vaporisation, fusion ) sans élévation de sa température. Q L = M. L notée L et exprimée en J.kg -1, appelée chaleur latente, appelée Enthalpie de changement d état. Quelle énergie Q L pour faire fondre 1 kg de glace? VI.2 Etude de cas Pour refroidir une boisson anisé de 10 cl à 20 C, on ajoute 2 glaçons de 8g chacun. En faisant l hypothèse que le verre n échange pas de chaleur avec l extérieur, déterminez la température de la boisson lorsque les glaçons ont fondu. On donne, masse du verre m v = 200g capacité calorifique du verre C v = 700 J.kg -1.K -1 capacité calorifique de l eau C e = 4200 J.kg -1.K -1 capacité calorifique de la glace C g = 2060 J.kg -1.K -1 chaleur latente de fusion de la glace L = ^3 J.kg -1 7

8 VII Transferts Thermiques VII.1 Introduction L énergie thermique peut s échanger de 3 manières : conduction : transfert de chaleur par contact entre deux corps et de proche en proche au sein d un même corps, rayonnement : transfert de chaleur à distance (possible entre deux corps séparés par du vide), convection : transfert de chaleur au sein d un fluide animé de mouvements de brassage spontanés (convection naturelle) ou mécaniques (convection forcée). Convention : on comptabilise positivement la chaleur que le système étudié reçoit et négativement celle qu il cède à son environnement, conformément à notre ressenti! VII.2 conduction C est la propagation de la chaleur dans un milieu solide. Le flux de chaleur (puissance) φ Cond transmis à travers le solide est : dq λ. S Φ conduction = dt =. ΔT e λ, conductivité thermique en W.m -1.K -1, dépend de la nature du solide, S surface d échange, e épaisseur du solide, ΔT différence de température de chaque côté du solide. La conductivité thermique λ est la capacité d un matériau à transmettre la chaleur, par conduction - notée λ, - exprimée en W.m -1.K -1, Exemples de conductivités thermiques (à 20 C): Polystyrène expansé : W.m -1.K -1 Béton : 0.92 W.m -1.K -1 Calculer l épaisseur d un mur en béton isolant autant que 10 cm de polystyrène. 8

9 Analogie thermique - électrique Résistances thermiques en série Il est possible de calculer la résistance thermique équivalente à un mur multicouches, en procédant à une analogie avec une association de résistances électriques en série. 9

10 Résistance thermique en parallèle L association parallèle est rencontrée lors d ouvertures. VII.3 convection On vient de voir comment la chaleur se propage dans un milieu solide. Regardons ce qui se passe dans un fluide. Un fluide en contact avec un corps chaud est animé de mouvements dits de convection. L air chauffé au dessus d une route est animé de mouvements verticaux qui troublent la vue. Les mêmes mouvements de convection s observent à la surface d un mur. Le flux de chaleur (puissance) φ Conv transmis entre un solide et un fluide est donné par : Avec, h, coefficient de transmission thermique en W.m -2.K -1, dépend du fluide et du solide, de l état de surface. S surface d échange. 10

11 Il y a deux types de convection : Convection naturelle L air chaud est plus léger que l air froid => poussée d'archimède de l air froid sur l air chaud qui monte Convection forcée Le fluide est accéléré artificiellement (turbine, pompe ) ce qui accélère les échanges thermiques On peut établir une analogie thermique électrique Convection Le flux de chaleur à travers la résistance thermique d un milieu peut être exprimé avec la loi de circulation de l électricité dans une résistance. VII.3 rayonnement tout corps absorbe et émet des rayonnements électromagnétiques, la réception de rayonnements dépend du coefficient d absorption du récepteur, Le corps récepteur peut donc être plus chaud que le milieu ambiant. l émission de rayonnements dépend de la température et de l émissivité du corps, 11

12 Le flux de chaleur φ émis émis par un corps est : Avec, σ=5, W.m -2.K -4, constante de Stefan, ε, émissivité du corps (sans unité, capacité à émettre de l'énergie), S la surface d émission T est la température du corps. Le Rayonnement thermique Le rayonnement solaire Les notions d irradiance et irradiation désignent la puissance et l énergie d un rayonnement électromagnétique. Dans le cas d un transfert thermique par rayonnement: Les cartes d irradiance donnent la puissance thermique reçue au sol, en Watt / m 2. Les cartes d irradiation donnent l énergie thermique reçue au sol, en Watt x heure / m 2. 12

13 Des abaques ou logiciels permettent d obtenir les valeurs projetées suivant différents angles d incidence. La puissance thermique reçue par rayonnement solaire se nomme «irradiation solaire», il s agit d une densité de flux surfacique, exprimée en Watt / m 2. Cette énergie thermique est reçue de manière directe par les récepteurs (flux provenant directement du soleil), de manière diffuse, par l intermédiaire de la réfraction de l atmosphère, et de manière indirecte par réflexion sur le sol. Le coefficient de réflexion du rayonnement solaire sur le sol se nomme albédo, il dépend du type de surface au sol. En France, on peut utiliser l outil CALSOL de l INES pour estimer l énergie thermique obtenue par irradiation solaire sur une surface. Cette valeur, exprimée en Watt x h / m 2 x jour dépend de la localisation géographique, de la date, et de l orientation de la paroi. Pour calculer l apport solaire à travers une surface, on utilise l irradiation verticale. Une fenêtre à Metz reçoit une irradiation globale de 2.84 kwh x 2 m 2 = 5680 joules par jour. 13

14 Instrumentation Un pyromètre est un thermomètre à distance qui mesure la chaleur rayonnée par un objet. Un pointeur laser permet de visualiser la zone de mesure. Une caméra thermique enregistre les différents rayonnements infrarouges (ondes de chaleur) émis par les corps et qui varient en fonction de leur température Un solarimètre est un appareil mesurant le rayonnement solaire (en W/m2) Un thermocouple est utilisé pour la mesure de la température 14

15 VIII ACTIVITES ELEVES VIII.1 Activité 1 Soit un exemple ci-dessous de valeurs de températures mesurées dans une pièce en hiver : Les températures ne sont pas identiques partout, pourquoi? VIII.2 Activité 2 Commenter les 3 images ci-dessous : 15

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17 Le lycée Jean Perrin est-il bien isolé? VIII.1 Activité 3 Ce document présente un extrait de rapport thermographique d un bâtiment. 17

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20 VIII.3 Activité 3 Voici un exemple de schéma permettant de localiser les principaux transferts thermiques. Ce bilan est-il complet? 20

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