Transferts d énergie thermique

Transcription

1 Transferts d énergie thermique Notions et contenus Transferts d énergie entre systèmes macroscopiques Notions de système et d énergie interne. Interprétation microscopique. Capacité thermique. Transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement. Flux thermique. Résistance thermique. Notion d irréversibilité. Bilans d énergie. Compétences exigibles Savoir que l énergie interne d un système macroscopique résulte de contributions microscopiques. Connaître et exploiter la relation entre la variation d énergie interne et la variation de température pour un corps dans un état condensé. Interpréter les transferts thermiques dans la matière à l échelle microscopique. Exploiter la relation entre le flux thermique à travers une paroi plane et l écart de température entre ses deux faces. Établir un bilan énergétique faisant intervenir transfert thermique et travail. Les conducteurs thermiques transfèrent bien la chaleur. Au contraire, les isolants ne la transfèrent pas ou très peu. I Energie interne d un système 1. Définition L énergie totale E d un système correspond à : E = E C + E P + U avec E C : énergie cinétique, E P : énergie potentielle et U : énergie interne. L énergie interne est liée à la structure microscopique du système (énergie thermique, chimique, nucléaire ). Attention : il ne faut pas confondre l énergie cinétique microscopique d un système et l énergie cinétique. La première correspond à l agitation des particules, elle est liée directement à l énergie thermique : 2 1 mpart <v 2 > = 2 3 kb.t. Avec m part : masse d une particule ; <v 2 > : vitesse quadratique moyenne d une particule ; k B : constante de Boltzmann ; T : température en K. L énergie cinétique se manifeste à l état macroscopique. Le système a une vitesse d ensemble v et E C = 2 1.m.v 2 avec m masse du système LEÇON Travail et chaleur L énergie interne U d un système peut se décomposer en travail et chaleur : U = W + Q avec U énergie interne en J ; W travail échangé en J ; Q chaleur échangée en J. Si le système est fermé et n échange que de la chaleur, la Par convention, Q > 0, si le système reçoit de la chaleur et Q < 0 s il en perd. relation précédente devient : U = Q = m.c. T pour une phase condensée (liquide, solide) avec U en J ; T : variation de la température en K ; c : capacité massique en J.K -1.kg -1 ; m : masse en kg. Application : On place une pièce de 20 centimes à la température ambiante de 20 C dans une casserole maintenue en ébullition (à 100 C). Calculer la variation d énergie interne de cette pièce.

2 II Transferts thermiques Mode de transfert Exemple 1. Différents modes de transferts thermiques Conduction Convection Rayonnement De proche en proche Mouvement d un fluide Interaction lumière - matière Propagation de la chaleur Un radiateur chauffe une Le soleil chauffe la Terre dans une poêle pièce par convection par rayonnement. 2. Définition Si on pose un verre rempli d eau sur une source de chaleur, sa température va augmenter. Inversement, si on le place dans un T 1 T 2 réfrigérateur, sa température va diminuer. Un flux thermique Système 1 Système 2 s effectue spontanément du corps chaud vers le corps froid. Ce transfert cesse lorsque les deux corps ont la même température. Φ Ce phénomène est spontané et irréversible : les transferts thermiques ne peuvent pas augmenter la température des corps les plus chauds. Transfert thermique Φ Le transfert thermique peut s expliquer par la propagation de spontané pour T 1 > T 2. proche en proche de l agitation des entités constituant le système. En première approximation, le flux thermique Φ échangé entre un corps chaud et un corps froid Q est défini par : Φ = Φ : transfert thermique en Watt (W) ; Q : chaleur échangée en J ; t : t durée de l échange thermique en s. Exercice 31 p Flux thermique et résistance thermique Activité de découverte : la résistance thermique Document 1 : fiche accompagnant la laine de roche ENFLOCONS Document technique Isolation des combles perdus par soufflage de laine de roche. Conditionnement Laine de roche en flocons conditionnée en sacs de 25 kg. Fonctionnalité Rapidité de mise en œuvre Continuité de l isolation (suppression des ponts thermiques) Isolation soufflée stable, sans fixateur Adaptation parfaite aux combles difficiles d accès (faible hauteur sous faîtage, trappe réduite, fermette). Sécurité incendie La laine ENFLOCONS est classée M 0 (non combustible). Elle ne participe pas au développement de l incendie et contribue à la protection des structures Résistance thermique intrinsèque Conductivité thermique pour une densité d application de 22,5 kg/m 3 : la mesure de la conductivité thermique de la laine de roche ENFLOCONS a été réalisée conformément à la Norme Française NF X , qui correspond à la méthode de la plaque chaude gardée. Lambda = 0,0427 W/m.K

3 Résistance thermique intrinsèque (en m 2.K/W) 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Epaisseurs (en cm) 8,5 10, ,5 Poids moyen (en g/m 2 ) 1,9 2,4 2,9 3,4 3,8 4,3 4,7 5,2 5,7 Document 2 : Document destiné au grand public lisible sur le site de l'ademe Document 3 : Conductivité thermique de certains matériaux Conductivité matériau thermique λ (W.m - 1.K -1 ) Polystyrène expansé 0,04 Laine minérale (de verre ou de roche) 0,04 Bois 0,20 Béton cellulaire 0,24 Brique pleine 0,75 Béton plein 1,75 Acier 52 Verre 1,2 Document 4 : Notion de flux thermique Epaisseur de la paroi donnant le même niveau d'isolation thermique Lorsqu'une paroi (de surface S et d'épaisseur e) est soumise à un écart de température T entre sa face intérieure et sa face extérieure, elle est traversée par un flux énergétique Φ. Ce flux obéit à la loi physique : T = R th.φ avec T en Kelvin (K) ou C ; Φ en W et R th résistance thermique de la paroi en K.W -1. Remarque : Les professionnels du bâtiment utilisent la résistance thermique intrinsèque R i qui est une grandeur indépendante de la surface exposée au flux : R i = S.R th Partie A : Appropriation de paramètres physiques utiles et relation entre eux 1- Comment la résistance intrinsèque R I de la laine de roche enflocons varie-t-elle avec l'épaisseur e? Coup de pouce : tracer le graphe R I = f(e) sur tableur, utiliser les fonctionnalités du logiciel pour déterminer la relation entre R i et e.

4 2- On pose R i = k.e a- Déterminer la valeur numérique du coefficient k dans le système international d'unités. b- En réalité, k = λ 1 où λ désigne la conductivité thermique du matériau. Donner l unité de λ c- Quelle est la valeur de la conductivité thermique de la laine de roche enflocons déduite du graphe précédent? Cette valeur est-elle en accord celle de la fiche technique (document 1)? Partie B : Vérification 1- Expliquer pourquoi, en exploitant les données du document 3, une épaisseur de 2 cm de laine de roche est aussi efficace qu'un mur de béton plein de 90 cm d'épaisseur. 2- D'après le document 3, quelle serait l'épaisseur de brique pleine donnant la même efficacité thermique? 3- Retrouver cette valeur par le calcul de la résistance intrinsèque de cette paroi. Partie C : Application 1- Calculer la résistance intrinsèque R I,acier d'une paroi d'acier de 2 cm d'épaisseur et la R I,poly de la même épaisseur de polystyrène expansé. 2- En déduire les valeurs des résistances thermiques des parois si elles présentent une surface de 10 m². 3- En déduire les valeurs des flux thermiques qui permettent le maintient d'un écart de température de 15 C de part et d'autre de ces parois. T 1 T 2 = R th.φ avec T en Kelvin (K) ou C ; Φ en W et R th résistance thermique de la paroi en K.W -1. S Pour une surface plane : Φ = λ. T avec Φ en W ; T : en K ; S surface de la paroi en m 2 ; e : e épaisseur de la paroi en m et λ : conductivité thermique en W.m -1.K -1. Soit R th = Exercice 27 p 368 e. λ.s Activité : Pose d une fenêtre dans un toit 1- Les pertes thermiques à travers un toit isolé s établissent à 0,10 W par m 2 de surface d échange, pour une différence de 1 K entre l intérieur et l extérieur de la maison. a- Déterminer la résistance thermique R th d un toit d aire A = 100 m 2. b- Estimer la puissance thermique P th perdue à travers le toit, lorsque la température extérieure est de 5 C et la température intérieure de 19 C. 2- Les pertes thermiques à travers un triple vitrage séparant deux milieux entre lesquels règne une différence de 1 K s élèvent à 1,0 W par m 2 de vitre. a- Déterminer la résistance thermique Rth 2 d un triple vitrage d aire A 2 = 10m 2. b- Quelle serait la résistance thermique Rth 1 d un toit de surface A 1 = 90 m 2? 3- Une fenêtre d aire A 2 équipée de ce triple vitrage est percée dans le toit d aire (A 1 + A 2 = A). La résistance thermique de l ensemble R th est telle que : = +. R th R th 1 R th2 a- Calculer R th b- Reprendre la question 1-b. dans ces conditions et conclure. Exercice 25 p 367 III Machines thermiques Un moteur thermique reçoit de l énergie d une source chaude (Q C ) qu il convertit en travail (W). Il en cède une partie à une source froide (Q F ). Bilan en valeur absolue : Q C W Q F = 0. Un récepteur reçoit du travail qui lui permet de pomper de la chaleur d une source froide pour la céder à une source chaude. Bilan en valeur absolue : -Q C + W + Q F = 0.

5 chaude Q C Moteur froide Q F Travail W Récepteur froide Q F Travail W Document 1 : Bilan énergétique d un moteur chaude QC Document 2 : Bilan énergétique d un récepteur Activité : Chauffage d une maison On considère une habitation parallélépipédique, de longueur L = 10 m et de largeur l = 9,0 m, dont les murs ont une hauteur H = 2,5 m. La capacité thermique de cette habitation est égale à C = 200 W.h.K -1. La résistance thermique de l ensemble des parois (murs, sol et toit) est R th = A r où r = 6,5 m 2.K -1.W et A correspond à la surface totale des parois. 1- Quelle est la quantité d énergie nécessaire pour obtenir une augmentation de température de 1 C dans cette habitation? 2- Que vaut la résistance thermique R th de l habitation? 3- Quel est le flux thermique dont l habitation est le siège, lorsque la température intérieure est de 19,5 C et la température extérieure de 3,8 C? 4- Quelle quantité d énergie consommerait une installation de radiateurs électriques en une journée pour maintenir la même température? 5- Le coefficient de performance (ou COP) d une pompe à chaleur correspond à la puissance thermique fournie en kw, divisée par la puissance électrique absorbée par le dispositif en kw. a- Quelle quantité d énergie électrique une pompe à chaleur de COP égal à 3,2 consommerait-elle en une journée, pour maintenir la température intérieure à 19,5 C? b- Quel est donc l intérêt d une pompe à chaleur?