République Algérienne Démocratique Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la recherche Scientifique Université des Sciences et de la Technologie d’Oran (USTO-MB)
Faculté : Des Sciences. Département : Physique. Option : 3émeAnnée Licence.
THEME :
Présenté par
:
- Benmelouka Fatma - Boukhli Farah - Taleb Bendiab Anis
ANNEE UNIVERSIATIRE
2010-2011
1- Introduction :
-La dilatation thermique est l'expansion à pression constante du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Cette dilatation s'explique par l'augmentation de l'agitation thermique des particules qui constituent le corps. Si le corps est long, sa dilatation sera surtout visible dans le sens de la longueur : on a une dilatation linéaire. Dans notre TP on étudie la dilatation d’un solide donc ; -Dans un solide, les atomes possèdent une énergie thermique et vibrent autour de leur position moyenne. Cette vibration dépend de la température mais aussi du voisinage des atomes, plus précisément du potentiel créé par les atomes environnants. À basse température, les potentiels interatomiques peuvent être décrits de façon harmonique : pour des températures proches de T = 0 K, les atomes restent centrés sur leur position moyenne r0. Ce n'est plus le cas pour des températures élevées : l'anharmonicité des potentiels interatomiques introduit une dépendance de la position moyenne des atomes avec la température, ce qui cause le phénomène de dilatation thermique.
2- Principe de la manipulation : -Le principe de la manipulation est de calculer le coefficient de dilatation pour le cuivre et l’aluminium à partir des valeurs relevées depuis le dilatomètre, et donc de savoir la manier d’utilisation des deux matériaux.
3- Réponse aux questions : On relève les donnés a partir du dilatomètre et on les classe dans un tableau (si dessous) puis on calcule le coefficient de dilatation a partir du graphe, sachant que ∆L=α.L0∆T avec ∆T=T-T0 a-pour le cuivre : L0= 580mm , T0= 20°C T (°C) ∆L (mm)
20
30
40
50
60
70
80
0
0.09
0.185
0.275
0.37
0.46
0.55
b-pour l’Aluminium : L0= 540mm , T (°C) ∆L (mm)
T0= 20°C 20
30
40
50
60
70
80
0
0.03
0.06
0.09
0.12
0.155
0.18
1) Le trace du graphe : ∆L=f (∆T) :
∆L=f (∆T)
∆L(mm) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
∆T(°C) 0
10
20
30
40
∆L(Cu)=f( ∆T)
50
60
70
∆L(Al)=f( ∆T)
Observation : les graphes sont des lignes droite commençant par l’origine leur équation mathématique est (y=ax) ; avec a c’est la pente de la droite, et son équation physique est ∆L= α.L0∆T Donc par analogie avec l’équation mathématique et l’équation physique on déduit que ; a= α.L0, alors α=
, 2) Calcule des coefficients de dilatation :
* pour le cuivre : A partir du graphe1 (couleur rouge) : a= Tgα=
α=
=
, donc
=
αCu = 1.57 10-5°C-1
* pour l’Aluminium :
A partir du graphe 2 (couleur bleu) : a = Tgα= α=
αAl = 5.5 10-6°C-1
-3
=3×10 , donc
4-Conclusion : A la fin du TP on s’aperçoit que le coefficient du Cu> que de l’Aluminium c’est pour ca qu’on utilise le cuivre dans le cadre industrielle car il se dilate mieux que l’Aluminium; et la preuve c’est qu’on utilise le cuivre pour faire des fils et des câbles électrique, contrairement a l’Aluminium il est souvent utilisé dans le transport d'électricité de grande puissance lorsque la section du câble et sa longueur élimine le cuivre à cause de sa masse spécifique plus élevée. Donc dans le domaine de l’industrie on utilise souvent le cuivre.
1- Introduction :
Un collecteur solaire est un dispositif destiné à récupérer une partie du rayonnement solaire pour le convertir en énergie solaire. On peut distinguer deux différent type de collecteur ; thermique et photovoltaïque, dans notre TP on utilise des panneaux solaire thermique a eau pour obtenir un meilleur rendement 2- Principe de la manipulation :
-Le principe de ce TP est de faire circuler l’eau dans les conduits relié au collecteur en utilisant deux modes de transfert par conviction et par rayonnement; le mode de transfert par conviction c'est le mode de transfert de chaleur par un fluide. Ce mode de transfert se concerne donc que les fluides ou les échanges entre un solide et un fluide. Pour le cas du transfert par rayonnement c’est le mode de transfert n'utilisant aucun milieu matériel. Ce rayonnement est un transfert de chaleur entre deux corps, séparé par du vide ou un milieu transparent, par l'intermédiaire d'ondes électromagnétiques. -On relève les températures a chaque point (entré et sortie) de l’absorbeur.et après plusieurs calcules le rendement. 3- Réponse aux questions :
1) Les lois de la thermodynamique : La thermodynamique étudie les transformations des systèmes ouverts ou fermés isolés ou non représentés par des variables d'état. Les notions théoriques de base de la thermodynamique sont la chaleur, la température thermodynamique, l'énergie interne, l'enthalpie, l'entropie, la réversibilité. Les grandeurs expérimentales sont les capacités calorifiques, la pression, le volume,... Les principales lois de la thermodynamique sont le premier principe, le deuxième principe (V. Carnot, Clausius), (le troisième principe de la thermodynamique V. Nernst). - Les lois de la thermodynamique, en principe, décrivent les détails pour le transport de la chaleur et travail dans un processus thermodynamiques. Depuis leur conception, cependant, ces lois sont devenues une partie du plus important en tout de physique et d'autres branches de la science relié à thermodynamique. Ils sont souvent associés aux concepts loin au delà de ce qui est directement énoncé dans les mots. Le principe zéro de la thermodynamique : Où principe de l'équilibre thermique est définie par le fait que si deux systèmes thermodynamiques 1 et 2 sont en équilibre thermodynamique avec un troisième 3, ils sont eux-mêmes en équilibre thermodynamique (il s'agit d'une assertion dans le langage de la théorie de la démonstration).Donc si deux corps en contact sont en équilibre thermique, ils ont la même température. Deux corps à même température en contact sont en équilibre thermique. Le Premier principe : C’est le Principe de conservation de l'énergie qui stipule qu'il existe une fonction d'état, l'énergie interne U, dont les variations entre deux états d'un système sont égales à la somme des travaux et des quantités de chaleur apportés au système entres ces deux états (quel que soit le processus reliant les deux états). Ce principe établit l'équivalence du travail et de la chaleur. Ce principe est aussi une loi générale pour toutes les théories physiques (mécanique, électromagnétisme, physique nucléaire,...) On ne lui a jamais trouvé la moindre exception. Une conséquence mathématique : dU = dW + dQ est une différentielle totale.
Le deuxième principe : La variation totale d'entropie d'un système et de son milieu est toujours positive, et tend vers zéro pour des transformations tendant vers la réversibilité. Ce principe Introduit en plus de l'énergie d'un système physique une autre grandeur caractérisant le système et qu'on nomme entropie. C'est un principe d'évolution, car il détermine jusqu'où et dans quel sens les différentes transformations de l'énergie du monde sont possibles. Ainsi, certaines transformations chimiques sont possibles et d'autres pas. De même toute la chaleur d'un corps Le troisième principe : Le troisième principe de la thermodynamique, appelé encore le théorème de Nernst, du nom du Prix Nobel qui l'a découvert en 1906, s'énonce de la façon suivante : "L'entropie d'un système quelconque peut toujours être prise égale à zéro à la température du zéro absolu".
2) Le corps noir : En physique, tout corps capable d'absorber complètement toutes les radiations électromagnétiques incidentes sur sa surface. Dans la nature, il n'existe pas de corps avec les caractéristiques requises mais, en laboratoire, il est possible de construire des modèles qui, dans des conditions déterminées, sont capables d'en simuler fidèlement le comportement. Toute enceinte isotherme, fermée à l'exception d'une très petite ouverture, joue le rôle d'un corps noir. Les corps noirs, comme tous les autres corps, émettent des radiations comprises dans un spectre caractéristique qui dépend exclusivement de la température absolue. A chaque valeur de la température correspond une longueur d'onde dominante. Donc un corps noir désigne Te(K)
Ts(K)
∆T(K)
279
290.5
11.5
-
280
293
13
+
-
295
301
06
+
+
-
296
302.5
06.5
5
-
+
+
298
306
08
6
+
+
+
299
304
05
Manip
Ecran
Illumination Courant d’air -
N°: 1
-
2
+
-
3
-
4
un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température 3) calcule du rendement pour le 6 séries de mesures : On a: C = 4187 J/Kg.K
,
qi =103 watt/m2
,
S = 0.12 m2
Calcule du d: d = 100 cm3/min, d= (1/6)*10-5 m3/s avec p=10kg/m3 Donc d = 1.67*10-3 kg/s
Par suite on peut calculer facilement le rendement : Avec
qi×S = 120 watt,
et C×d= 6.992 J.K-1.s-1
Donc il faut seulement calculer à chaque fois l’intervalle entre les températures pour chaque série de mesure c'est-à-dire Pu
Pu1= 80.41 watt Pu2= 90.90 watt Pu3= 41.95 watt Pu4= 45.45 watt Pu5= 55.94 watt Pu6= 34.96 watt Par suite on trouve le rendement
ɳ1 = 67.01% ɳ2 = 75.75%
(rendement plus important)
ɳ3 = 34.95 % ɳ4 = 37.88 % ɳ5 = 46.62 % ɳ6 = 29.13 % 3- Conclusion : A la fin du TP on remarque que le rendement le plus important est celui de la série de mesure N°2 car le rendement du collecteur solaire ne dépend que de l’écran car les autres conditions (illumination, courant d’air ….etc.) influencent négativement sur son rendement malgré la présence de l’écran.
1- Introduction :
La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert thermique par conduction. Notée λ), cette constante apparaît par exemple dans la loi de Fourier. Elle représente la quantité de chaleur transférée par unité de surface et par une unité de temps sous un gradient de température de 1 degré par mètre. Quand à la conductivité électrique c’est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du courant électrique. 2- principe du TP:
La conductivité thermique du cuivre et de l'aluminium est déterminée en appliquant un gradient de température constant au flux thermique mesurée par un calorimètre. La conductivité électrique du cuivre et de l'aluminium est déterminée par la loi de Wiedmann-Franz
Remarque : La conductivité dépend principalement de :
La nature du matériau, la température.
D’autres paramètres comme l’humidité, la pression interviennent également.
En général, la conductivité thermique va de pair avec la conductivité électrique. Par exemple, les métaux, bons conducteurs d'électricité sont aussi de bons conducteurs thermiques. Il y a des exceptions bien sur 4-La capacité calorifique : Elle représente la quantité de chaleur à fournir à 1kg de matière pour élever sa température de 1K ; elle s’exprime en j/Kg .K On l’appel aussi la capacité thermique.
Illustration de l’expérience
3- Réponse aux questions :
On relève les températures pour les deux barres de métal et on calcule Q env. a partir de la relation Q env.= (C eau .m eau +C). ∆T on a C= 56j/K. C eau = 4.187j/g K. m eau= 350g. L= 420 mm. d = 25 mm. ∆T=T1-T2 Pour le Cuivre :
t 0 5 10 15 20 25
T1 19.8 19.9 20.3 21.2 21.6 22.5
T2 19.4 18.7 19.2 20 21 22
∆T 0.4 1.2 1.1 0.8 0.6 0.5
Q env. 608.58 1825.74 1673.59 1217.16 912.87 760.72
Pour le l’Aluminium :
t 0 5 10 15 20 25
T1 20.6 20.3 20.7 20.9 21.5 21.6
∆T 1.4 2.8 2.2 1.2 0.4 0.3
T2 19.2 17.5 18.5 19.7 21.1 21.5
Q env. 2130.03 4260.06 3347.19 1825.74 608.58 456.435
La trace des graphes : 1) Q env = f(t) Pou le Cuivre
Q envCU (t) 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
Q env.
0
5
10
15
20
25
30
Pour l’Aluminium
Q env.Al (t) 4500 4000 3500 3000 2500 Q env.
2000 1500 1000 500 0 0
5
10
15
20
25
30
2) Q env= f (∆T) Pour le Cuivre
Q env.cu (∆T) 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
Q env.
0
0.5
1
1.5
Pour l’Aluminium
Q env.Al (∆T) 4500 4000 3500 3000 2500 2000
Q env.
1500 1000 500 0 0
0.5
1
1.5
Calcule des conductivités CU AL On a
2
2.5
3
Donc Pour l’Aluminium AL =
=325.6 W·m-1·K-1
Pour le Cuivre CU =
=325.6 W·m-1·K-1
4- Conclusion :
On retrouve du cuivre dans un grand nombre d’applications contemporaines et dans de nombreuses industries différentes : télécommunications, bâtiment, transports, énergie et renouvelables. Du fait de sa grande conductivité, le cuivre est largement utilisé dans les applications électriques, électroniques et thermiques. Il est le meilleur conducteur électrique parmi l’ensemble des métaux non précieux. À titre d’exemple, la conductivité électrique du cuivre est supérieure à celle de l’aluminium). il ne peut cependant pas être utilisé dans les lignes haute tension aériennes où l’aluminium s’impose en raison de sa légèreté. Ses propriétés électriques sont largement exploitées, et son utilisation en tant que conducteur, dans les électroaimants, les relais, les barres de distribution et les commutateurs. Les circuits intégrés ainsi que les cartes à circuits imprimés utilisent de plus en plus le cuivre au lieu de l’aluminium du fait de sa conductivité électrique plus élevée. Il est également utilisé comme matériau pour la fabrication des radiateurs pour ordinateurs, du fait de sa meilleure conductivité thermique que celle de l’aluminium.. Le cuivre est rarement utilisé pur, sauf pour les conducteurs électriques et dans le cas où l'on souhaite une grande conductivité thermique. Cela résulte du mode de transmission de la chaleur et de l'électricité dans les métaux, qui se fait majoritairement par déplacement d'électrons. On notera à ce titre que le cuivre servant doit être extrêmement pur pour avoir la meilleure conductivité. Dans certaines applications thermiques pour des raisons économiques, il est parfois remplacé par des matériaux moins performants en termes de rendement (aluminium, matériaux de synthèse). Il est montré que les conductivités thermique et électrique du cuivre sont liées très fortement.
