CONGRES PLURALISTE DES SCIENCES 2009 (Université de … · 3. Différence entre chaleur et...
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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
a) Les conceptions spontanées sur la chaleur et la température
5
1. INTRODUCTION
a) Les conceptions spontanées sur la chaleur et la température
La laine « polaire » la plus chaude ?
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1. INTRODUCTION
a) Les conceptions spontanées sur la chaleur et la température
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
a) Les conceptions spontanées sur la chaleur et la température
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
b) Transfert thermique et forme des récipients
Idéalement, le récipient devrait être grand (D important) et plus
long que large (k petit).
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1. INTRODUCTION
b) Transfert thermique et forme des récipients
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 :
b) Diffusion de l’encre dans l’eau
2. MISE EN ÉVIDENCE DE L’AGITATION THERMIQUE
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
21
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.
5. TRANSFORMATION INCOMPLÈTE DE LA CHALEUR EN TRAVAIL
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 :
5. TRANSFORMATION INCOMPLÈTE DE LA CHALEUR EN TRAVAIL
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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6. MESURE DE LA CHALEUR MASSIQUE DU PLOMB
Bilan des échanges d’énergie
L’eau reçoit une quantité de chaleur Q et s’échauffe.
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6. MESURE DE LA CHALEUR MASSIQUE DU PLOMB
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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6. MESURE DE LA CHALEUR MASSIQUE DU PLOMB
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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6. MESURE DE LA CHALEUR MASSIQUE DU PLOMB
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.
7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR
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a) Conduction
Transport de chaleur par un fluide en mouvement
Expérience
7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR
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b) Convection
Photo : Laurent Zanotto
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
Expérience surprenante : comment enflammer une allumette à distance
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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7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR c) Rayonnement
Photos : Laurent Zanotto
Expérience surprenante : comment enflammer une allumette à distance
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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7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR c) Rayonnement
Photo : Laurent Zanotto
Expérience surprenante : comment enflammer une allumette à distance
Observation • Lorsqu’on alimente l’ampoule, l’allumette s’enflamme après quelques instants.
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7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR c) Rayonnement
Photo : Laurent Zanotto
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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7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR c) Rayonnement
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.
Expérience : mesure du rendement d’une ampoule à incandescence
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7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR c) Rayonnement
A
V
Alimentation
d
Luxmètre
Expérience : mesure du rendement d’une ampoule à incandescence
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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7. MODES DE PROPAGATION DE LA CHALEUR c) Rayonnement
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 !