Habitat TP 9A

TP/cours

Transferts thermiques

Caractéristiques thermiques des matériaux 1STI2D

Imaginer la situation suivante où le thermomètre affiche 8°C :

En vous aidant de vos connaissances acquises au chapitre précédent, répondre aux questions suivantes :

1. Déterminer l’évolution de la température du thermomètre en schématiser la situation finale.

2. L’évolution inverse est-elle possible ? De quels facteurs dépend la valeur finale du thermomètre ?

3. Conclure en complétant la phrase suivante :

Un ................................................... entre deux

corps s’effectue toujours du corps le plus

.................... vers le corps le plus .......................

(principe physique appelé second principe de

la thermodynamique).

Concernant le thème de l’habitat, on peut

illustrer avec les situations suivantes :

4. Compléter la légende avec le bon terme.

légende :

...............................

Il existe 3 modes de transfert thermique illustrés ci-dessous (avec les liens vers les vidéos associées) :

http://bit.ly/2jfpfgd http://bit.ly/2iIVR5Z http://bit.ly/2jGaCpP

5. Décrire en une ou deux phrases, sur votre compte-rendu, chacun des modes de transfert thermique.

Observer les expériences réalisées au bureau.

6. Schématiser chaque montage en le légendant et lui associer un mode de transfert thermique.

Capacités exigibles :

- Prévoir le sens d’un transfert thermique entre deux systèmes dans des cas concrets ainsi que leur état final

- Décrire qualitativement les trois modes de transferts thermiques en citant des exemples

- Expliciter la dépendance entre la puissance rayonnée par un corps et sa température

- Citer le lien entre la température d’un corps et sa longueur d’onde pour laquelle l’émission de lumière est maximale

1 Expérience introductive

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2 Les différents modes de transferts thermiques

Ti = …………

1. Illustration pour la conduction thermique : pouvoir isolant d’une paroi

Lors du choix d’un revêtement pour le sol ou les murs d’une maison, plusieurs paramètres doivent être pris en compte d’un point

de vue thermique. Certains matériaux sont plus isolants que d’autres, limitant ainsi les transferts thermiques par conduction et

améliorant ainsi le bilan thermique de la maison.

En utilisant les documents ci-dessous, résoudre les 2 problématiques suivantes :

7. Problématique n°1 à résoudre : expliquer pourquoi une épaisseur de 1,5 cm de laine de roche est aussi efficace qu’un mur

en béton de 1 m d’épaisseur.

8. Problématique n°2 à résoudre : évaluer la quantité d’énergie thermique qui s’échappe à travers l’une des vitres de la salle

de classe pendant toute la durée du TP. Faire les hypothèses simplificatrices nécessaires (simple vitrage, températures

constantes...)

Définition : La conductivité thermique d’un matériau, notée λ (exprimée en W.m-1.K-1) caractérise le transfert

thermique par conduction qui s’effectue à travers ce matériau.

exp :

Lorsqu’ils travaillent sur des parois en particulier, les professionnels du bâtiment utilisent une grandeur plus parlante et

plus facile à utiliser : la résistance thermique de la paroi.

Définition : La résistance thermique d’une paroi, notée R (exprimée en m2.K.W-1) traduit sa capacité à

s’opposer au passage de la chaleur. Elle est proportionnelle à l’épaisseur e de la paroi (en m) et

inversement proportionnelle à la conductivité thermique λ du matériau constituant la paroi.

La résistance thermique Rtot d’une paroi composée de plusieurs couches de matériaux différents est égale à la somme des

résistances thermiques R1, R2... de chacune des couches : Rtot = R1 + R2 +...

Définition : la quantité de chaleur qui s’échappe chaque seconde à travers la surface S (en m²) d’une paroi est appelée

flux thermique et noté Ф. Celui-ci s’exprime en W, il est donc équivalent à une puissance thermique.

3 Illustrations pratiques des modes de transferts thermiques dans l’habitat

λ

e=R

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2. Illustration pour la convection thermique : le poêle à bois

Sur un site dédié aux poêles à bois, on peut trouver leur principe de fonctionnement.

9. Expliquer en une ou deux lignes en quoi la convection thermique joue un rôle important dans ce système.

10. Reprendre l’exemple du mur « Trombe » du TP précédent et expliquer également en quoi la convection thermique joue un

rôle important dans ce système.

3. Illustration pour le rayonnement : la caméra thermique

Les diagnostics d’énergie obligatoires et la mise en application de la norme bâtiment RT 2012 depuis 2013 pour des

constructions de hautes performances énergétiques rend l’utilisation de la caméra infrarouge de plus en plus indispensable.

Caméra thermique

Photo d’une maison prise

avec la caméra thermique

Tous les éléments d’une habitation, étant à une certaine température T, émettent des

rayonnements électromagnétiques (donc comme la lumière mais pas nécessairement

visible). Les matériaux que l'on trouve à l'intérieur d'un bâtiment émettent

généralement des rayonnements infrarouges de longueurs d'onde comprises entre 1 et

100 μm.

Remarque 1 : le maximum d’énergie rayonnée par un corps chaud porté à une

certaine température T est obtenu à une longueur d’onde particulière notée λmax. Par

exemple, la surface du Soleil, à une température de 5580 K, émet un maximum d’énergie

vers λmax = 500 nm (il nous paraît ainsi jaune). On a la relation suivante entre λmax et T

appelée loi de Wien : λmax = 2,9.10-3

/ T où λmax s’exprime en m et T en K.

Remarque 2 : le flux thermique Ф rayonné par une surface S porté à une température T se calcule à l’aide de la loi de Stefan :

Ф = ε . σ . S . T 4 où σ est la constante de Stefan qui vaut 5,67.10-8 W.m-2.K-4

et ε un coefficient sans unité compris entre 0 et 1 qui dépend de la surface (état et matériau).

(pour réfléchir le rayonnement thermique, on choisit un matériau où ε est proche de 0 ; à l’inverse, un corps absorbant

complètement la lumière avec aura un coefficient ε proche de 1).

11. D’après la photo ci-dessus, dans quelles zones les pertes thermiques sont-elles les plus importantes ? Les combles sous le

toit sont-ils isolés thermiquement ?

D’après http://www.acere.fr/poele-bois-acere.php

http://lefevre.pc.free.fr

http://bit.ly/2j14Bms

Pour mieux comprendre :