TP TRANSFERTS THERMIQUES Sommaire 1
Dispositif expérimental : ................................................................................................................ 1
2
TP 1 ExAO: Transfert par conduction ............................................................................................. 2 2.1
Mise en place du matériel ....................................................................................................... 2
2.1.1
Préparation du matériel : ................................................................................................ 2
2.1.2
Préparation du système d’acquisition : ........................................................................... 3
2.2
Conduction .............................................................................................................................. 4
2.2.1
Montage conduction entre deux blocs de même matière :............................................ 5
2.2.2
Montage conduction entre deux blocs de même matière et un isolant (emplacement
vide de gauche): .............................................................................................................................. 7
3
2.3
Traitement mathématique des courbes obtenues : ............................................................... 8
2.4
Conclusion ............................................................................................................................. 10
TP 2 ExAO: Transfert par rayonnement ....................................................................................... 11 3.1
Le rayonnement : .................................................................................................................. 11
3.2
Montage rayonnement entre deux blocs de même matière et une couche d’air
(emplacement vide de gauche): ........................................................................................................ 11
1
Dispositif expérimental :
La mallette transfert thermique propose un système de mise en œuvre simple permettant d’aborder par l’expérience les transferts thermiques dans un système macroscopique. Par une approche comparative, elle permet de mettre en évidence les différents types de transferts thermiques, notamment les transferts par conduction et par rayonnement, ce dernier point, permettant de souligner l’effet isolant de l’air. En comparant les courbes de réponses de différents matériaux, il est également possible de faire le lien entre flux thermique et résistance thermique. La mallette, grâce à sa mousse spécifique, constitue une enceinte que l’on peut considérer comme adiabatique. Des logements sont spécifiquement conçus pour recevoir les blocs de tests. On dispose en outre de : - 2 blocs parallélépipédiques en acier inox de même taille 30 x 55 x 10 mm.
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- 2 blocs parallélépipédiques en aluminium de même taille 30 x 55 x 10 mm. - 2 tiges filetées en plastiques permettant de manipuler les blocs chauds en toute sécurité. Chaque bloc dispose d’une cavité dans laquelle on insère une sonde thermométrique. Les TP transferts thermiques peuvent être réalisés en relevant à intervalles de temps réguliers, mesurés par un chronomètre, les températures des blocs par des thermomètres ou thermocouples. L’élève construit manuellement alors les courbes d’évolution de la température en fonction du temps. Bien évidemment, l’Ex.A.O. offre une solution bien plus performante sur le plan de la précision des mesures et des scénarios pédagogiques pour ce t ype de TP.
2
TP 1 ExAO: Transfert par conduction
Remarque : les expériences ci-dessous sont décrites avec la console Foxy mais elles sont réalisables avec tout type de système ExAO.
2.1 Mise en place du matériel 2.1.1
Préparation du matériel :
Matériels nécessaires aux activités expérimentales :
Console Foxy+ Capteur Thermomètre Foxy 2 Béchers
Mallette transfert thermique + bloc acier
Système de chauffage
et aluminium.
Pince
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2.1.2
Préparation du système d’acquisition :
Connecter la console à un ordinateur et sélectionner le généraliste physique.
Connecter les deux capteurs de température sur les voies A et B.
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Glisser l’icône du chronomètre l’axe des ordonnées.
sur l’axe des abscisses et les icônes des thermomètres
sur
Réglage des paramètres : La température :
Le temps :
2.2 Conduction Les deux blocs de matériau étant en contact étroit l’un avec l’autre, leur jonction est considérée comme parfaite (ce qui n’est pas le cas), la propagation de la chaleur ne peut se faire que par conduction.
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On définit la conduction comme une propagation de la chaleur de molécules à molécules (ou d’atomes à atomes ou d’ions à ions) dans un corps ou dans plusieurs corps contigus sans qu’il y ait mouvement de ce milieu. Les blocs étant entourés de mousse isolante, on considère qu’il n’y a pas de perte de chaleur latérale et qu’en conséquence, la chaleur ne peut se dissiper que dans un sens, à sa voir du chaud vers le froid.
Dans notre cas, on constate que la température d’équilibre est atteinte plus vite dans le cas de l’aluminium que dans celui de l’acier. Les deux blocs ayant même surface, on peut donc en déduire que pour un ΔT donné, le flux d e chaleur Q (ou puissance thermique) est supérieur dans le cas de l’aluminium. A l’inverse par analogie avec l’électricité, on peut introduire un coefficient entre la puissance thermique Pth et la différence de température ΔT qui correspond à la résistance thermique R th, avec :
Pth =
On en déduit donc que la résistance thermique de l’acier est supérieure à celle de l’aluminium. Dans notre expérience, le système n’est pas en régime stationnaire, en conséquence, le flux de chaleur n’est pas constant, il est donc difficile dans ces conditions de mesurer la véritable résistance thermique de ces matériaux. On peut cependant se livrer à une estimation comme ci-dessous.
2.2.1
Montage conduction entre deux blocs de même matière :
2.2.1.1 Préparation du dispositif :
Photo 1
Photo 2
Photo 3
Photo 4
Mettre à bouillir de l’eau déminéralisée (Photo 1). L’eau déminéralisée évite le dépôt de calcaire sur les blocs de métal. Introduire le bloc de métal pendant 1 min dans l’eau bouillante (Photo 2). Retirer le bloc de l’eau bouillante et fixer la tige adaptée (Photo 3). Essuyer le bloc avant de le mettre dans la mallette (Photo 4).
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Photo 5
Photo 6
Photo 7
Préparer préalablement le bloc froid dans le rectangle de mousse vide de droite (photo5). Insérer le bloc chaud à l’aide de la tige adaptée (photo 6). Insérer alors les thermomètres dans les orifices prévus ( photo 7)
Vérifier que la température du bloc chaud soit stabilisée avant de lancer l’acquisition à l’aide de l’icône de lancement.
2.2.1.2 Résultats :
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On peut conclure que les blocs d’acier ont une capacité plus importante que l’aluminium à conserver la chaleur. On déduit par comparaison que l’acier a une résistance thermique plus élevée que l’aluminium.
2.2.2
Montage conduction entre deux blocs de même matière et un isolant (emplacement vide de gauche):
Dans cet exemple, nous comparons le comportement du bois, du plastique et du polystyrène. Ces manipulations permettent de classer par le biais d’une approche qualitative et à l’aide de courbes normalisées ces isolants du plus résistant au moins résistant thermiquement.
2.2.2.1 Préparation du matériel expérimental : Pour pouvoir enchaîner les mesures entres les différentes matières, il est recommandé de se munir d’un bécher contenant de l’eau f roide pour pouvoir refroidir le bloc dit « froid » entre chaque série de mesure. Pour le bloc chaud se mettre dans les mêmes conditions expérimentales que précédemment. Cette manipulation permet d’obtenir un Δ T de départ assez répétitif.
Photo 8
Photo 9
Photo 10
Préparer préalablement le bloc froid plus le matériel isolant à tester dans le rectangle de mousse vide de gauche (photo8). Insérer le bloc chaud à l’aide de la tige adapté (photo 9). Insérer les thermomètres dans les trous prévus (photo 1 0). Vérifier à l’aide de l’onglet mesure si la température est stabilisée avant de commencer l’acquisition. Afin d’optimiser le temps de manipulation, il est préférable de limiter l’acquisition à 20 min. Cette limite permet également de faciliter la c omparaison entres les différents isolants testés. Les paramètres de température seront alors identiques aux expériences précédentes.
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2.2.2.2 Exemples de courbes obtenues :
2.3
Traitement mathématique des courbes obtenues :
Pour traiter les données à l’aide de l’atelier scientifique, cliquer sur l’onglet «tableau ». Le traitement des données ne peut se faire qu’une fois l ’acquisition terminée.
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Pour comparer les résultats obtenus des différentes acquisitions, il est recommandé de calculer des courbes différentielles. Cette méthode permet d’avoir une origine commune et de simplifier l’interprétation des différentes acquisitions. Ces courbes sont obtenues en suivant ces étapes : Définir le nom et l’unité de la courbe : Cliquer sur la colonne suivant celle des valeurs de T2. La fenêtre « nommer la grandeur » s’affiche. Taper sur F12 pour faire apparaître l’alphabet grec et sélectionner Δ. Entrer la grandeur Δ T et l’unité °C et valider en cliquant sur OK
Répéter l’opération sur la colonne suivante.
Calcul du Δ T :
Calcul de la courbe différentielle :
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Répéter ces opérations de calculs avec les autres courbes et reporter les résultats sur la même acquisition en cliquant sur « coller » et « copier les valeurs ». Tracer toutes les valeurs différentielles en fonction du temps sur un même graphique.
2.4
Conclusion
On peut déduire de ces allures de courbes que le polystyrène présente une meilleure capacité à retenir la chaleur, soit de diminuer le flux thermique, que le plastique et le bois. On peut dire que R aluminium > R plastique > R bois. Page 10
3
TP 2 ExAO: Transfert par rayonnement
3.1 Le rayonnement : Un corps dont la température est supérieure à 0 °K émet un rayonnement de nature électromagnétique dans toutes les directions. Plus la température de ce corps est élevée plus la quantité d’énergie rayonnée par unité de surface est élevée. Quand le rayonnement électromagnétique d’un corps rencontre un autre corps, ce rayonnement est totalement ou en partie absorbé pour se transformer en une nouvelle énergie souvent en chaleur. Ce mode de transfert thermique n’a pas besoin de support matériel entre les deux corps et peut s’effectuer dans le vide. Dans notre mallette transfert thermique, on effectue cette expérience entre deux blocs de métaux et une épaisseur d’air.
3.2
Montage rayonnement entre deux blocs de même matière et une couche d’air (emplacement vide de gauche) :
Pour cette expérience, on procédera comme pour la comparaison entre les différents matériaux isolants. Les réglages de l’acquisition seront également les mêmes. On déterminera également la courbe normalisée pour cette expérience obtenue de la même manière que précédemment.
3.2.1.1 Résultats de l’acquisition et conclusion :
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Même si la nature du transfert thermique prédominant (conduction vs rayonnement) est différente entre les échantillons solides et l’air (gaz), on peut s’autoriser à comparer la courbe différentielle de l’air à celles des matériaux testés et constater que le polystyrène est le meilleur isolant.
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