Physique Mesures de transferts thermiques Chap.15 I.

(1)

19/03/2016 P15_transferts_thermiques.doc 1/3

TS Thème : Comprendre TP n°23

Physique Mesures de transferts thermiques Chap.15

I. Etalonnage du calorimètre

• Un calorimètre parfait est un système isolé, ce qui signifie que le système constitué par le calorimètre et son contenu n’échange ni matière ni énergie avec l’extérieur.

• On se propose dans un premier temps de déterminer la masse d’eau équivalente au calorimètre, notée mcal, c’est-à- dire la masse d’eau dont la capacité thermique est équivalente à celle de l’enceinte du calorimètre. On utilisera pour cela la méthode des mélanges.

1. Mode opératoire

1.1. Peser le calorimètre vide. Noter sa masse : m1 = ...

• Verser approximativement 300 mL d’eau chaude dans le calorimètre.

1.2. Peser à nouveau le calorimètre : m2 = ...

1.3. En déduire la masse exacte d’eau chaude mchaude introduite.

1.4. Relever la température Tc de l’eau chaude dans le calorimètre une fois l’équilibre thermique établi : Tc = ...

1.5. Verser dans un bécher une masse d’eau du robinet, proche de celle de l’eau chaude. Relever la température Tf de l’eau froide avant introduction : Tf = ...

1.6. Verser rapidement l’eau froide dans le calorimètre et relever la température du mélange Tm = ...

1.7. Peser de nouveau le calorimètre : m3 = ...

1.8. En déduire la masse exacte d’eau froide mfroide qui a été versée : mfroide = ...

• Noter vos résultats et ceux de la classe dans un tableau.

2. Exploitation

• La variation d’énergie totale d’un système s’exprime par la relation ∆U = m × c × (Tfinale – Tinitiale) avec m en kg, c capacité thermique du solide en J.kg^-1.K^-1 et T en kelvins(K) ou °C.

2.1. Si le système est isolé, que vaut la variation totale d’énergie interne du système ?

Que vaut la variation d’énergie interne du système constitué par la masse d’eau équivalente au calorimètre mcal, la masse d’eau froide mfroide et la masse d’eau chaude mchaude ?

2.2. En désignant par ∆Ucal, ∆Uch, ∆Uf les variations d’énergie interne respectivement du calorimètre, de la masse d’eau chaude et de la masse d’eau froide, établir une relation littérale entre ces grandeurs qui traduit l’absence de transfert thermique avec l’extérieur au sein du calorimètre.

2.3. Donner l’expression des variations d’énergie interne ∆Ucal, ∆Uch et ∆Uf. On désigne par ceau la capacité thermique massique de l’eau.

2.4. Etablir avec la question précédente la relation : mcal = - mchaude + mfroide×Tm – Tf Tc - Tm

2.5. Calculer mcal. Donnée : ceau= 4,18 × 10³ J.kg^-1.K^-1. Reporter vos résultats et ceux de la classe dans le tableau précédent.

2.6. Utiliser la calculatrice pour déterminer la valeur moyenne m−cal la valeur de l’écart-type noté s.

3. Incertitude

• L’incertitude associée à une mesure répétée de mcal est : ∆mcal = k × s

N où k désigne le facteur d’élargissement. La valeur de k donnée par la loi statistique dite loi de Student dépend du nombre de mesure et du niveau de confiance.

3.1. Repérer dans le tableau suivant les valeurs de k pour un niveau de confiance de 90% et 95% connaissant le nombre de mesures N.

3.2. Donner un encadrement de mcal pour ces deux niveaux de confiance.

N-1 95% 99%

1 12,71 63,66 2 4,303 9,925 3 3,182 5,841 4 2,776 4,604 5 2,571 4,032 6 2,447 3,707 7 2,365 3,499 8 2,306 3,355 9 2,262 3,250 10 2,228 3,169

(2)

II. Isolation thermique d’une maison

• Lire les documents 1, 2, 3 et 4.

Questions

• Données : conductivités thermiques λ(air)=0,026 W.m^-1.K^-1 ; λ(argon)=0,017 W.m^-1.K^-1 ; λ(verre)=1,2 W.m^-1.K^-1 1) Rechercher la définition du flux thermique puis son expression en fonction des caractéristiques de la paroi en

précisant la signification et les unités de toutes les grandeurs mises en jeu.

2) Rechercher l’expression de la résistance thermique Rth d’une paroi de surface S et d’épaisseur e en fonction de la conductivité thermique λ du matériau qui la compose. Préciser l’unité de toutes les grandeurs mises en jeu.

3) En déduire l’expression de la résistance thermique surfacique Rd, définie au document 2, en fonction de l’épaisseur e du matériau et de sa conductivité thermique λ.

4) Montrer, à l’aide du document 2 et de l’expression précédente, qu’il est possible de retrouver, à l’aide d’un graphique que l’on réalisera avec un tableur, la valeur de la conductivité thermique de la laine de roche donnée dans le document 1.

5) En utilisant le tableau des conductivités thermiques du document 3, montrer qu’une épaisseur de 2 cm de laine de roche est aussi efficace du point de vue de l’isolation thermique qu’un mur de béton plein de 90 cm d’épaisseur.

6) Déterminer par le calcul puis retrouver à l’aide du graphique du document 3 l’épaisseur de brique pleine qui donne la même efficacité thermique que 2 cm de laine de roche.

7) Certaines fenêtres à double vitrage possèdent deux vitres parallèles séparées par un gaz tel que l’argon. Elles permettent de mieux isoler les pièces d’une maison. La conduction est le mode prépondérant de transfert d’énergie à travers un double vitrage. Quels sont les autres modes de transferts possibles ? Dans quel sens a lieu le transfert thermique d’énergie ?

8) Pourquoi améliore-t-on l’isolation thermique en utilisant de l’argon à la place de l’air ?

9) Calculer la résistance thermique surfacique du double vitrage Argon de 28 mm d’épaisseur présenté dans le document 4. Calculer également la résistance thermique surfacique d’une simple vitre d’épaisseur 8 mm. On rappelle que dans le cas d’une paroi composite, c’est-à-dire formée de plusieurs couches de matériaux différents, la résistance thermique totale est la somme des résistances thermiques des différentes couches (analogie en électricité avec la résistance équivalente à une association en série de résistances).

10) En supposant la température extérieure égale à 0°C et la température intérieure égale à 20°C, et en supposant égale à 2,4 m² l’étendue de la surface vitrée, exprimer les flux thermiques à travers la vitre avec et sans double vitrage, puis calculer le rapport ϕsimple vitrage

ϕdouple vitrage

. Conclure sur l’intérêt du double vitrage.

(3)

• Rd est utilisé par les professionnels du bâtiment et désigne la résistance thermique surfacique, appelée aussi coefficient d’isolation thermique surfacique ; il s’agit de la résistance thermique pour une paroi de surface 1 m²

Document 2 : Conditionnements

Parce que la qualité du double-vitrage est primordiale pour l'isolation de votre Véranda, Véranda Confort a sélectionné Pilkington, le leader mondial des fabricants de verre !

Argon+ est un double-vitrage rendu faiblement émissif grâce à un traitement OPHITHERM consistant en la pulvérisation d'oxyde de fer sur l'une de ses faces et en la présence de gaz Argon entre les deux.

Chaque face est épaisse de 4 mm avec un espace intercalaire de 20 mm ! Soit un double-vitrage de 28 mm !

Document 4 : le double vitrage