Évaluer un transfert thermique

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Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Énergie, matière et rayonnement
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Évaluer un transfert thermique

FB_Bac_98618_PhyT_S_031

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Rappels de cours

1Les différents modes de transferts thermiques

Ils se font toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid. Il y a irréversibilité du transfert.

Convection : transfert avec transport de matière dans un fluide.

Conduction : transfert sans transport de matière, l’agitation thermique se propage de proche en proche.

Rayonnement : transfert sans transport de matière, possible dans le vide.

2Flux thermique et résistance thermique


 Le flux thermique est l’énergie thermique qui traverse une paroi par unité de temps. Pour  :



en  ; en  ; et en

en

est la résistance thermique du matériau. Elle dépend non seulement de la nature du matériau mais aussi de son épaisseur. Plus est élevée, plus le matériau est isolant.

 Lorsque plusieurs matériaux sont accolés, les résistances thermiques s’ajoutent : .

 Pendant la durée , la paroi transmet :

– une quantité de chaleur ;

– une puissance thermique :  ;

en  ; en  ; en  ; en  ; en  ; en .

3Transfert thermique et travail

Pour un système, le transfert thermiqueQ et le travailW sont les seules façons d’échanger de l’énergie avec un autre système.

Méthodes

Calculer un flux thermique

Les parois d’un entrepôt de surface totale S= 50 m² sont recouvertes d’une couche de polystyrène de 2,5 cm d’épaisseur de résistance thermique R= 2 SI. La température extérieure est Text= 0 °C, la température intérieure Tint= 18 °C.

1. Quelle est la signification physique de R ? En déduire quelle est l’expression correcte du flux thermique à travers la paroi :

(a)   ou

(b) .

2. Retrouver par analyse dimensionnelle l’unité de R.

3. Calculer le flux thermique à travers l’ensemble de l’entrepôt.

Conseils

1. Pour un écart de température donné, rechercher le sens de variation attendu du flux en fonction des variations de R.

2. et 3. Utiliser l’expression du flux choisie au 1.

Solution

1.R mesure la capacité de la paroi à s’opposer aux échanges thermiques. L’écart étant fixé, Φ est d’autant plus faible que R est grande : Φ doit donc être fonction décroissante de R. (b) est l’expression correcte.

2. De (b) on tire donc R s’exprime en .

3.

Distinguer les différents modes de transferts thermiques

Donner un exemple de chacun des trois modes de transfert thermique : convection, conduction et rayonnement.

Solution

Convection : courant d’air chaud qui s’élève au-dessus des radiateurs.

Conduction : un morceau de métal placé dans une flamme devient brûlant d’une extrémité à l’autre.

Rayonnement : rayonnement solaire qui provoque, après avoir traversé le vide spatial, un « coup de Soleil », c’est-à-dire une brûlure de la peau due à un échauffement.

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