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Td corrigé TP 18 physique pdf

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

où C est une grandeur caractéristique du corps considéré, que l'on appelle capacité thermique du corps. Son unité : J.K-1.

Document 3. La méthode des mélanges.

Lorsque deux corps, ne réagissant pas chimiquement l'un avec l'autre, et initialement à des températures différentes 1

et 2 sont mis en contact, on constate, au bout d'un certain temps, qu'ils sont à la même température. Il y a donc eu transfert d'énergie d'un corps à un autre. Le transfert thermique spontané se fait du corps chaud vers le corps froid, il est irréversible.

TP 18 physique Compétences.

• 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.

I – Emmagasiner de l’énergie thermique.

Document 1. Du vase de d'Arsonval au vase de Dewar : principe du calorimètre.

Cherchant comment conserver à basse température des gaz liquéfiés, le physicien français Arsène d'Arsonval (1851-1940) eut l'idée d'exploiter le vide comme isolant thermique. Le vase qu'il réalisa pour la première fois vers 1888 était en réalité constitué de deux vases en verre entrant l'un dans l'autre, soudés par leurs bords supérieurs et entre lesquels régnait un vide poussé. Vers 1893, le physicien britannique James Dewar (1842-1923) améliora le vase de d'Arsonval en utilisant des parois de verre argentées et pu ainsi stocker l'hydrogène liquide à - 252°C. Ce type de vase est à la base de la construction des calorimètres.

Document 2. La capacité thermique.

Un matériau peut stocker de l’énergie sous forme d’énergie interne et restituer ensuite cette énergie. En l’absence de changement d’état la variation d’énergie interne U d’un corps condensé est lié à la variation de température :

U = C  (fin - ini)

→ Pour comparer entre eux divers matériaux, on utilise en général la capacité thermique massique c. Elle s'exprime en J.kg-l.K-1.Pour un corps homogène de masse m, on a

C

cm

.

→ La capacité thermique massique de l'eau liquide a pour valeur moyenne : ceau = 4,18103 J.kg-l .K-1.

→ La capacité thermique massique du bois est cbois = 400 J.kg-l .K-1.

1 - Quels sont les processus de transfert thermique dont le vide permet de s'affranchir ? conduction - convection 2 - Quel est l'effet des parois argentées sur le rayonnement ? réflexion

3 - Quel est donc l’intérêt du vase de Dewar ? limiter les transfert thermique avec l’exterieur.

1 – Protocole expérimental.

 Chauffer de l'eau dans un récipient et y plonger une pierre de masse mpierre.

 Mettre une masse meau = 400 g d'eau froide dans le calorimètre.

 Attendre que les températures soient stabilisées et noter leurs valeurs 1 pour l'eau chaude et 2 pour l'eau froide.

 Enlever la pierre de l'eau chaude et l'introduire très rapidement dans l'eau froide du calorimètre.

 Attendre que la température dans le calorimètre se stabilise et noter sa valeur f. 2 – Exploitation.

1 - Exprimer la variation d'énergie interne de la pierre Upierre en fonction de la variation de température et de la capacité thermique massique c. Quel est son signe ? Qu’est ce que cela signifie ?

2 - De même pour la variation d'énergie interne de l'eau dans le calorimètre Ueau.

3 - En déduire l’expression littérale puis la valeur de la capacité thermique massique de la pierre cpierre.

-1 -1

eau eau f i eau

pierre

pierre f i pierre

c ×m ×(θ -θ )

c = = 750 - 900 J.kg .K

m ×(θ -θ )

4 - Relever la précision des différents instruments de mesures utilisés. m = 0,1 g, V = 4 mL, T = 0,1 °C 5 - Calculer l’incertitude relative de chacune des mesures : ΔU

U .Quelle est la mesure qui limite la précision ?

m\ m*100 = 0,1\400*100 = 0,025% V\ V*100 = 4\400*100 = 1% T\ T*100 = 0,1\20*100 = 0,5%

6 - Quelles sont les autres sources d’erreurs du protocole expérimental ? Calorimètre pas idéal : échanges thermiques avec le calorimètre, avec l’air du calorimètre, avec l’extérieur.

Chapitre 21

Economiser l’énergie dans l’habitat

(2)

Conclusion.

Pour réaliser des économies d’énergie en suivant la technique présentée vaut il mieux avoir une maison en pierre ou une maison en bois. c bois < c pierre : pierre mieux.

II - Isoler thermiquement.

Document 1. Caractéristiques de quelques isolants.

À travers un mur d'épaisseur e et de section S délimitant un milieu chaud de température Tc et un milieu froid de température Tf, a lieu un transfert thermique de puissance thermique , la résistance thermique étant définie par

c f

th

T T

R

 

.

La conductivité thermique est reliée a la puissance thermique  par

. T

c

T

f

S e

 

 

.

Pour connaître les performances d'un isolant, le plus simple consiste à récupérer son étiquette. La conductivité thermique et la résistance thermique sont mentionnées : la valeur de la première est propre au matériau et dépend de l'épaisseur, tandis que la valeur de la seconde n'en dépend pas.

1 - Quel est l’effet d’un bon isolant thermique sur les variations de température dans une pièce non chauffée ?

2 - Quel processus de transfert thermique est limité par un isolant thermique ? conduction 3 - Relier la résistance thermique à la conductivité thermique. Expliquer leur évolution réciproque. ↓ alors R↑

1 – Protocole expérimental.

• On dispose de différentes plaques, de même surface et de même épaisseur, en différents matériaux (carton, bois, carrelage, etc.) modélisant les murs d'une habitation.

• Une plaque chauffante fournit de l'énergie, et une sonde thermométrique reliée à un ordinateur mesure la tempéra ture de part et d'autre des plaques étudiées.

 Régler le thermostat de la plaque chauffante à 75°C. Relever à l'aide de la sonde thermométrique la température de la plaque, une fois la température stabilisée.

→ La plaque chauffante étant thermostatée on peut considérer sa température constante au cours des différentes expériences.

 Intercaler entre la plaque chauffante et la sonde une plaque en carton.

 Relever la température affichée par la sonde lorsque cette température ne varie plus.

Recommencer les opérations précédentes pour chaque matériau et remplir le tableau ci-contre.

Matériau utilisé carton bois Carrelage

Température de la plaque chauffante Température relevée par la sonde

2 – Exploitation.

1 - Comparer les différences entre les températures relevées pour chaque matériau utilisé. T carrelage > T bois > T carton 2 - Pourquoi est-il nécessaire d'utiliser des plaques de même épaisseur et de même surface pour comparer l'isolation thermique des différents matériaux ?

3 - D'après les résultats obtenus, quel est le matériau qui procure la meilleure isolation thermique ? carton 4 - Est-ce en accord avec les valeurs de la conductivité thermique . oui

Produit Conductivité thermique  : W.m-l .K-1

Carton 0,07

bois 0,10 à 0,18

Carreau de grès 1,20 à 1,30

Document 2. Effet de l'isolation sur les variations de température.

Une pièce non chauffée a été isolée grâce à de la laine de verre. Voici l'enregistrement des températures intérieure et extérieure à la pièce sur 10 jours.

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