CONGRES PLURALISTE DES SCIENCES 2009 (Université de … · 3. Différence entre chaleur et température 4. ... Modes de propagation de la chaleur a) Conduction b) Convection c) Rayonnement

Chaleur et température : approche expérimentale de deux concepts

délicats

M. Dontaine 1, J. Plumat 2 , Y. Verbist-Scieur 3, L. Zanotto 4

1 Université de Namur & Athénée Royal François Bovesse de Namur, [email protected]

2 Université catholique de Louvain & Haute Ecole Roi Baudoin à Mons, [email protected]

3 Université de Namur & Institut Saint-Louis à Namur, [email protected] 4 Université de Namur & Institut Saint-Joseph à Saint-Hubert, [email protected]

CONGRES PLURALISTE DES SCIENCES 2009

(Université de Mons)

1.  Introduction a)  Les conceptions spontanées sur la chaleur et la

température b)  Transfert thermique et forme des récipients c)  Optimisation et réalité industrielle

2.  Mise en évidence de l’agitation thermique a)  Agitation thermique et température b)  Mouvement brownien c)  Diffusion de l’encre dans l’eau

3.  Différence entre chaleur et température 4.  Transformation complète du travail en chaleur 5.  Transformation incomplète de la chaleur en travail 6.  Mesure de la chaleur massique du plomb 7.  Modes de propagation de la chaleur

a)  Conduction b)  Convection c)  Rayonnement

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a) Les conceptions spontanées sur la chaleur et la température

  Les conceptions spontanées sont nombreuses et bien ancrées… Chez tout le monde !

  « Chaleur » et « température » sont souvent considérés comme des synonymes :

•  Nous disons volontiers : « Qu’est-ce qu’il fait chaud ! »

•  Au lieu de dire : « La température est élevée en ce jour d’été ! »

  On suppose souvent que tout apport de chaleur augmente la température d’un corps !

•  Pourtant lors d’un changement de phase (vaporisation, solidification) la température ne change pas !

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1. INTRODUCTION

  La chaleur et le froid sont souvent considérés comme des substances : •  « Ferme la porte, le froid va rentrer ! »

•  « La chaleur m’est tombée dessus… ».

  Nos sens nous induisent également en erreur ! •  Ce que nous ressentons par le toucher ce sont les

conséquences des transferts thermiques : la laine est un isolant, le métal un conducteur.

  La température est fonction de la nature de l’objet. •  « La laine est chaude, le fer est froid ».

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1. INTRODUCTION


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1. INTRODUCTION


  La laine « polaire » la plus chaude ?

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1. INTRODUCTION


  Concernant l’utilisation des thermomètres :

•  La température de l’air est-elle identique pour un thermomètre retourné ?

o  On parle souvent de la « chute des températures »…

•  A l’équilibre thermique, la température est-elle la même dans l’air ou dans un verre d’eau ?

  Les élèves confondent souvent le phénomène et la vitesse avec laquelle ce phénomène se produit…

  Pour la situation présentée ci-contre : « lorsque l’eau bout, dans quel récipient la température sera-t-elle la plus élevée ? »

  Réponse fréquente : « dans le petit récipient ».

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La température atteinte et la vitesse avec laquelle celle-ci est atteinte sont des notions souvent

confondues.

1. INTRODUCTION


  Le transfert thermique est fonction des pertes pariétales.

  Les pertes pariétales sont fonction de la surface…

  …la sphère offre le minimum de surface pour un volume donné.

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1. INTRODUCTION

b) Transfert thermique et forme des récipients

  Le rendement thermique d’une tasse : rapport entre l’énergie utile et l’énergie reçue.

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h

D

Avec k = D/h et a, b coefficients de conductibilité thermique.

1. INTRODUCTION


  Idéalement, le récipient devrait être grand (D important) et plus

long que large (k petit).

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1. INTRODUCTION


  Pour un cylindre ouvert le volume V est généralement fixé.

  La surface S doit être minimale :

avec

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1. INTRODUCTION

c) Optimisation et réalité industrielle

  Pour un poêlon (cylindre ouvert), un bon compromis est h = D/2.

  Pour un cylindre fermé (casserole), un bon compromis est h = D.

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1. INTRODUCTION

c) Optimisation et réalité industrielle

a)  Agitation thermique et température

2. MISE EN ÉVIDENCE DE L’AGITATION THERMIQUE

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  L’agitation thermique d’un gaz ou d’un liquide •  Mouvement des particules (mouvement brownien),

•  Energie cinétique E des particules :

•  On associe la température absolue T à l’énergie cinétique des particules :

a)  Mouvement brownien


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a)  Mouvement brownien (1)


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a)  Mouvement brownien (2)


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b)  Diffusion de l’encre dans l’eau


17 Vidéo : Laurent Zanotto

3. DIFFÉRENCE ENTRE CHALEUR ET TEMPÉRATURE

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Expérience : mesure de la température lors de l’ébullition de l’eau

Photos : Laurent Zanotto

4. TRANSFORMATION COMPLÈTE DU TRAVAIL EN CHALEUR

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Expérience

  Matériel •  100 g de « billes » de plomb (grenaille) •  Tube en carton muni de deux bouchons isolants •  Thermomètre (précision : 0,2 °C) •  Petit récipient de polystyrène

  Mode opératoire •  Mettre la grenaille dans le récipient de polystyrène. •  Relever la température initiale qi de la grenaille. •  Verser la grenaille dans le tube. •  Retourner le tube 40 fois (par exemple). •  Reverser les billes dans le récipient et mesurer la température finale qf de la grenaille après une minute.

h

•  On en déduit la chaleur massique du plomb…

… dont la valeur de référence est de 129 J/kg.K.

•  Comparaison : calcul de la différence relative

4. TRANSFORMATION COMPLÈTE DU TRAVAIL EN CHALEUR

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Expérience

  Résultats expérimentaux

•  Le système étant isolé, toute l’énergie potentielle est convertie en chaleur :

h

  DESCRIPTION DE LA MACHINE À VAPEUR ÉLÉMENTAIRE

1

2

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5. TRANSFORMATION INCOMPLÈTE DE LA CHALEUR EN TRAVAIL

  PREMIER TEMPS

  DEUXIÈME TEMPS

  CONCLUSION : Pour qu’une machine thermique puisse fonctionner de manière cyclique, il faut disposer d’une source chaude et d’une source froide !

  BILAN DES ECHANGES D’ENERGIE

1

12

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Reçu par le système Cédé par le système

Le travail effectué par la machine est égal à la différence entre la chaleur reçue par l’eau de la source chaude et la chaleur cédée par la vapeur à la source froide.

•  Lors du deuxième temps, le système cède une quantité de chaleur Q2 à la source froide.

•  Lors du premier temps, le système reçoit une quantité de chaleur Q1 de la source chaude et il effectue un travail W. Le système cède donc de l’énergie mécanique au milieu extérieur.


  RENDEMENT D’UNE MACHINE THERMIQUE

•  Le rendement d’une machine est le rapport entre l’énergie utilisable et l’énergie investie :

Machine T1 (K) T2 (K) hmax. th. (%) hpratique (%)

Locomotive à vapeur 450 300 33 10

Turbine de centrale nucléaire 540 300 45 33

Moteur à combustion interne 780 300 62 35

Turbine de centrale gaz-vapeur 820 300 65 50

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•  Le rendement maximum théorique est donnée par :


Principe n°1 de la calorimétrie : si deux corps A et B sont mis en contact et que A cède une quantité de chaleur Q à B, B reçoit la même quantité de chaleur.

6. MESURE DE LA CHALEUR MASSIQUE DU PLOMB

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Principe n°2 de la calorimétrie : si une quantité de chaleur Q doit être fournie à un corps pour qu’il passe de la température T1 à la température T2, en retour le corps cèdera au milieu extérieur la même quantité de chaleur Q en passant de T2 à T1.

Mode opératoire

  Verser une quantité d’eau connue dans un calorimètre.

  Mesurer sa température.

  Faire fondre une masse connue de plomb.

  Verser le plomb fondu dans le calorimètre et le refermer aussitôt.

  Attendre quelques instants et mesurer la température du contenu du calorimètre.

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Bilan des échanges d’énergie

  L’eau reçoit une quantité de chaleur Q et s’échauffe.

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Reçue par l’eau Cédée par le plomb

  Le plomb liquide se solidifie en libérant une quantité de chaleur Q’.

  Le plomb solide se refroidit en libérant une quantité de chaleur Q’’.

Résultats expérimentaux

  meau = 0,100 kg   mPb = 0,050 kg   ceau = 4180 J/kg.K   csol. Pb = 23x103 J/kg   Tinitiale eau = 24,0 °C (297,0 K)   Tfinale « mélange » = 31,2 °C (304,2 K)   Tsol. Pb = 327,5 °C (600,5 K)

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  Valeur de référence pour la chaleur massique du plomb : 129 J/kg.K   Différence relative = 2 %

Conclusions

  La chaleur massique du plomb est étonnamment petite par rapport à celle de l’eau (environ 32 fois plus petite) !

  L’inertie thermique du plomb est donc très faible. Quand on le chauffe, sa température augmente (assez) rapidement.

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  Transport de chaleur à l’intérieur d’un milieu matériel   La conduction résulte du transfert de proche en proche d’un surcroît local d’agitation thermique désordonnée.

Expérience

7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR

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a)  Conduction

Photo : Laurent Zanotto

  Matériel •  1 tige de cuivre (environ 60 cm de longueur et 3 mm de diamètre) •  1 bougie et des allumettes •  De la grenaille de plomb •  1 source de chaleur (bunsen) •  Statif, noix et pince

  Mode opératoire •  Graduer la tige avec un marqueur indélébile (tous les 3 cm par ex.). •  Enduire la tige de cire de bougie. •  Fixer une « bille » de plomb à chaque graduation. •  Chauffer une extrémité de la tige.

Expérience

  Observation •  La cire fond et les petits plombs tombent au fur et à mesure que la chaleur se propage tout au long de la tige.

  Pour aller plus loin •  Utiliser une tige d’aluminium et constater que la chaleur se propage plus lentement. •  Utiliser une tige de verre et constater que la chaleur ne se propage pas. •  Classer les matériaux en fonction de leur conductibilité thermique.


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a)  Conduction

  Transport de chaleur par un fluide en mouvement

Expérience


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b)  Convection


  Emission d’ondes électromagnétiques par un corps chauffé   Ne nécessite pas de milieu matériel   Trouve son origine dans le mouvement désordonné d’agitation thermique

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7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR c)  Rayonnement

Expérience surprenante : comment enflammer une allumette à distance

  Matériel •  2 réflecteurs identiques d’anciens phares de voiture •  1 ampoule adaptée aux réflecteurs utilisés (typiquement une ampoule halogène à deux filaments (H4) 12 V 55 W & 60 W) •  Alimentation adaptée à l’ampoule (plusieurs ampères sont nécessaires, en pratique : un chargeur de batterie) •  Statifs, noix, pinces et fils de connexion •  Des allumettes et éventuellement un thermomètre permettant de mesurer des températures au-delà de 100 °C •  Beaucoup de soin et de patience pour « aligner » les deux réflecteurs


  Mode opératoire •  Repérer préalablement le filament « feu de route » et ses connexions. •  Insérer l’ampoule dans l’un des réflecteurs, positionner l’ensemble verticalement et alimenter l’ampoule. •  Disposer le second réflecteur parallèlement au premier à environ un mètre de distance.

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Photos : Laurent Zanotto


  Mode opératoire •  Rechercher la position du foyer du second réflecteur (avec le thermomètre ou un petit morceau de papier, attention ça chauffe !). •  Eteindre l’ampoule. •  Utiliser un autre statif pour placer la tête d’une allumette au foyer du second réflecteur.

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  Observation •  Lorsqu’on alimente l’ampoule, l’allumette s’enflamme après quelques instants.

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  Variante •  Placer le « réservoir » d’un thermomètre au foyer et observer l’élévation de température (attention : la température augmente très rapidement).

Expérience : mesure du rendement d’une ampoule à incandescence

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  Matériel •  1 ampoule à incandescence à filament de petite taille (par exemple une ampoule de voiture 12 V 5 W (culot W5W)) •  Alimentation adaptée à l’ampoule (chargeur de batterie) •  Ampèremètre, voltmètre et luxmètre •  1 mètre ruban •  Statifs, noix, pinces et fils de connexion

  Mode opératoire •  Alimenter l’ampoule et insérer ampèremètre et voltmètre dans le circuit. •  Mesurer l’intensité du courant et la tension aux bornes de l’ampoule. •  Mesurer la distance séparant l’ampoule et la cellule du luxmètre. •  Mesurer l’éclairement de l’ampoule à l’aide du luxmètre.


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A

V

Alimentation

d

Luxmètre


  Résultats expérimentaux •  I = 0,29 A •  U = 11,7 V •  d = 0,145 m •  Éclairement : E = 134 lux (remarque : 1 lux = 1/683 W/m2)

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  Conclusions •  Le rapport entre l’éclairement mesuré et l’éclairement calculé est de 0,015. •  Environ 1,5 % de l’énergie électrique fournie à l’ampoule est rayonnée, les 98,5 % restants sont dissipés sous forme de chaleur !

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