Nouveaux programmes de Terminales S rentr

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Nouveaux programmes de Terminales S rentrée2012

• Eléments de formation sur la partie  Transferts
  dénergie entre systèmes macroscopiques 

Les attendus du BO spécial n8 du 13 octobre 2011 http//www.education.gouv.fr/pid25535/bulletin_officiel.html?cid_bo57537 Les attendus du BO spécial n8 du 13 octobre 2011 http//www.education.gouv.fr/pid25535/bulletin_officiel.html?cid_bo57537
 Notions de système et dénergie interne. Interprétation microscopique.   Capacité thermique.   Transferts thermiques conduction, convection, rayonnement.   Flux thermique. Résistance thermique.   Notion dirréversibilité.   Bilans dénergie. Savoir que lénergie interne dun système macroscopique résulte de contributions microscopiques. Connaître et exploiter la relation entre la variation dénergie interne et la variation de température pour un corps dans un état condensé.   Interpréter les transferts thermiques dans la matière à léchelle microscopique.   Exploiter la relation entre le flux thermique à travers une paroi plane et lécart de température entre ses deux faces.   Établir un bilan énergétique faisant intervenir transfert thermique et travail.
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•  Physique statistique  B.Diu, C. Guthmann, D.
  Lederer, B. Roulet , Hermann (page 146)
• L'évolution d'un système macroscopique est régie
  par les lois microscopiques d'interaction entre
  ses constituants, et respecte de ce fait
  certaines lois de conservation citons par
  exemple la conservation de l'énergie, celle du
  nombre de molécules d'un corps pur donné si le
  système est inerte chimiquement,...
• Les lois de conservation s'expriment le plus
  simplement dans le cas d'un système isolé si le
  système est placé dans des conditions telles
  qu'il ne peut échanger d'énergie avec son
  environnement, son énergie totale reste constante
  au cours du temps si les parois qui l'enferment
  ne laissent passer aucune matière, le nombre
  total de molécules (ou d'atomes) qu'il contient
  reste constant. Dans de telles situations, les
  grandeurs conservées se comportent comme des
  paramètres extérieurs, puisqu'elles gardent une
  valeur fixe et certaine, imposée par des
  conditions de préparation du système.
• Mais si le système n'est pas isolé, certaines de
  ces grandeurs sont des variables internes par
  exemple, si des échanges d'énergie se produisent
  entre le système et son environnement, l'énergie
  du système lui-même ne reste pas fixée même à
  l'équilibre macroscopique, elle fluctue et
  possède donc une distribution statistique.
  Cependant, les fluctuations d'une telle grandeur
  doivent respecter la loi de conservation
  lorsque l'énergie du système diminue, celle de
  son environnement augmente exactement d'autant.
• Ces considérations appellent une remarque
  importante lorsqu'on veut appliquer la
  mécanique statistique à un problème concret, il
  est indispensable de commencer par définir de
  manière précise le système que l'on va considérer
  et de bien distinguer entre les paramètres
  extérieurs fixés et les variables internes libres
  de fluctuer. Ceci est essentiel beaucoup
  derreurs et dincompréhensions proviennent
  dambiguïtés concernant la délimitation du
  système auquel on applique tel ou tel résultat
  général, et la situation précise dans laquelle il
  se trouve .

BO Système
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Construction de lénergie totale dun système
- déplacement densemble du système EcMacro
extérieur
Énergies cinétiques
- déplacement des constituants dans le réf.
barycentrique EcMicro
G
système
- des forces extérieures Epext
Énergies potentielles
- des forces intérieures Epint
Énergie totale
BO Savoir que lénergie interne dun système
macroscopique résulte de contributions
microscopiques
Énergie interne
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Premier principe pour les systèmes fermés (qui ne
sont le siège daucune variation dénergies
potentielles macroscopiques ni de variations
dénergie cinétique macroscopique)
extérieur
système
Fonction détat indépendante du chemin
Travail reçu
Transfert thermique reçu
Grandeurs algébriques comptées positives si le
système reçoit , négative sinon
Machine motrice moteur, turbine Wr lt
0 Machine réceptrice PAC, frigo,
compresseur Wr gt 0
Question de système on se place du point de vue
du fluide et non de larbre mécanique de sortie
! Les  électriciens  se positionnent en
général avec la convention opposée, source
possible de  mésententes 
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Premier principe pour les systèmes fermés (qui ne
sont le siège daucune variation dénergies
potentielles macroscopiques, ni de variations
dénergie cinétique macroscopique)
Pendant dt
Adiabatique (parois calorifugées)
Travail des forces de pression
Flux thermique F
Travail électrique
(Joule)
(Watt)
(Watt)
(Joule)
et
ne sont pas des fonctions détat, les variations
de ces deux grandeurs dépendent du  trajet 
suivi
http//hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/
firlaw.htmlc1
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Variations dénergie interne
Phases condensées (solide ou liquide)
Gaz parfaits (P.V n.R.T m.r.T)
BO Capacité thermique
Capacité thermique massique à volume constant
Capacité thermique massique
Air cv 710 J.K-1.kg-1 Dihydrogène cv
10 140 J.K-1.kg-1
C capacité totale du système c capacité
massique Cm capacité molaire
Eau c 4186 J.K-1.kg-1
BO Connaître (et exploiter) la relation entre
la variation dénergie interne et la variation
de température pour un corps dans un état condensé
NOTATIONS
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Thermodynamique de leffet Joule
R
I
Système la résistance R
Régime stationnaire pas daccumulation
dénergie interne dans la résistance
Le système cède de lénergie sous forme de
chaleur (càd un transfert thermique) à
lextérieur.
BO Etablir un bilan énergétique faisant
intervenir transfert thermique et travail
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Les frottements, la diffusion, les turbulences
sont des sources de non-réversibilité
Notions dirréversibilité (sans le second
principe !)
Dans le cas précédent le transfert thermique ne
seffectue que dans le sens de la source de haute
température vers la source de basse température
et jamais dans lautre sens (sauf dans le cas de
certaines machines thermiques voir lénoncé de
Rudolf Clausius La chaleur ne passe pas delle
même dun corps de basse température  vers un
corps de plus haute température ) Lair ambiant
ne réchauffera jamais la résistance (dun
sèche-cheveux pour illustrer)
Irréversibilité fixe le sens des échanges
dénergies
BO Notion dirréversibilité
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Notions dirréversibilité (sans le second
principe !)
rendement 80
Létude de texte, documents et diagrammes (sur
les machines thermiques, en lien avec la partie
enjeux énergétiques) permettra de mettre en avant
que les sources dirréversibilités diminuent le
rendement et/ou lefficacité de celles-ci. On
notera la profonde dissymétrie entre W et Q,
cest uniquement cette dernière grandeur même
lors de transformations réversibles- qui entraîne
des variations dentropie
rendement 20
Transfo réversible vs irréversible
Diagramme réel
Diagramme idéal
Irréversibilité
Diminution des rendements et/ou efficacités des
machines
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Transferts thermiques
3 modes de transferts thermiques
CONDUCTION
CONVECTION
RAYONNEMENTS
Un corps chauffé émet de l'énergie sous forme de
rayonnement électromagnétique.
Le rayonnement thermique se déplace vers les
courtes longueurs d'ondes quand la température du
corps augmente
animation convection
animation conduction
300K
6000K
BO Conduction, convection, rayonnement
10 µm (IR)
0,5 µm
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Conduction thermique loi de Fourier
Loi de Fourier (loi locale en un point M du
matériau)
M
W.m-2
Transfert naturel du chaud vers le froid
Conductivité thermique du matériau en W.K-1.m-1
gt0
La conductivité thermique dun matériau solide
est fonction de 1. sa densité plus un
matériau est léger plus il est isolant2. sa
température plus un matériau est chaud plus
il est conducteur
Air 0,026 W.K-1.m-1
La conductivité thermique des gaz, au voisinage
de la pression atmosphérique, croît avec la
température.
Eau 0,6 W.K-1.m-1
À lexception de l'eau, de quelques solutions
aqueuses, de quelques molécules à plusieurs
fonctions amine ou hydroxy, les conductivités
thermiques de la plupart des liquides décroissent
avec la température.
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Profil de température pour un mur entre 2
thermostats
Mur en béton, régime stationnaire, milieu passif
Profil linéaire de température dans le mur
Densité de flux thermique
0
e
Puissance (ou flux) thermique traversant une
section S du mur
BO Flux thermique
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Modélisation électrocinétique des échanges
thermiques en régime stationnaire
Thermique
Electrocinétique
S
Flux thermique ou puissance thermique en W
R
I
e
Résistance thermique en K.W-1
BO Résistance thermique
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Manipulations en Sciences-Physiques
Appareil de conduction thermique (Turgot)
Circuit de refroidissement
Four
T
12 sondes de température

• Barre cylindrique dAluminium (? 200 W.K-1m-1),
  de diamètre d 35 mm, L 22 cm.
• Calorifugée latéralement.
• Relever, en régime permanent, les températures
  des 12 capteurs.
• Montrer (modélisation) que le profil est
  linéaire interpréter la pente de la courbe.
• Calculer la résistance thermique et la
  conductance thermique.
• En déduire le flux thermique de conduction F
  dans la barre.

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Exemple dappareil de mesure de la résistance
thermique (Dautry)
T1 température ambiante T2 T1-10C Lafficheur
indique T1-T2 , et e/l
Exemples de mesures possibles - Vérifier
laddition des résistances thermiques dune
superposition de différents matériaux. Exemple
béton et coton. - Comparer la résistance
thermique dun revêtement sec et dun revêtement
humide. Exemple moquette. - Retrouver les
valeurs de la conductivité thermique des
différents matériaux (béton, coton, verre, bois,
aggloméré,...) et les classer suivant leur
conductivité thermique.
Commercialisé par Sciencéthic sur la base dun
prototype réalisé par des professeurs de
lacadémie de Montpellier (cf RNSTL)
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Association de résistances thermiques en série
exemple du double-vitrage
sont parcourues par le même flux
Simple vitrage
Double vitrage verre-air-verre
T2270K
e 6 mm
S 1 m²
T1295K
T2270K
T1295K
ev13mm eair3mm ev23mm
Calculer Rth1 et le flux
Calculer Rth2 et le flux
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Association de résistances thermiques en parallèle
sont soumises à la même différence de température
Rth1
T1
T2
Rth2
T2
T1
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Thermique de lhabitat bilan thermique sur un
local
Entreprise Sergies pour la maîtrise des dépenses
énergétiques
Survol des habitations avec une caméra infrarouge
afin d'identifier les déperditions d'énergie des
bâtiments
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Bilan thermique sur un système fermé Premier
principe de la thermodynamique appliqué à la
thermique.

• Problématique
• Maison froide ( Text 0C)
• À t 0, on allume le chauffage
• Système air murs de capacité thermique totale
  C
• On suppose T(t) uniforme
• La puissance de chauffe est constante.
• Quelle est lévolution de T f(t) ?

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Bilan thermique
STOCKAGE
ECHANGES SORTANTS
PRODUCTION
PRODUCTION STOCKAGE ECHANGES SORTANTS
On allume le chauffage
Dans lair et les murs
Pertes thermiques
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Bilan thermique en Watt
PRODUCTION STOCKAGE ECHANGES SORTANTS
T(t)
Text
En régime permanent pas de stockage
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Bilan thermique en régime permanent
Exemple de données sur un local à chauffer
On souhaite en régime
permanent
Critère de choix de la PAC
Pompe à chaleur eau glycolée / eau Vitocal 200
de Viessman. D'une puissance de 6,1 à 9,7 kW.

• Prévoir 40W/m² pour une maison isolée selon la
  réglementation RT2000/RT2005

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Manipulations en Sciences-Physiques
Bilan thermique
T(t)
Text
On déduit la résistance thermique Rth
Comparer des matériaux isolants.
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Conducto convection à linterface paroi - fluide
La mécanique des fluides nous indique quau
voisinage de la paroi apparaît dans le fluide une
zone due à la convection et appelée couche limite.
Flux conducto-convectif donné par la loi de
Newton
Paroi
Fluide à
TP
h coefficient de transfert conducto-convectif.
Convection naturelle
Convection forcée
Surface S
0
x
Gaz
Gaz
5 lt h lt 10 W.K-1.m-2
Couche limite
10lt h lt 300 W.K-1.m-2
Eau
Eau
100 lt h lt 1000 W.K-1.m-2
300 lt h lt 12000 W.K-1.m-2
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Prise en compte des résistances
conducto-convectives
he
hi
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Rayonnement

• La loi de Stefan régit ce type de transfert pour
  les corps noirs (idéaux)
• P est la puissance rayonnée par un corps noir
  porté à la température T.
• s est une constante égale à 5,6.10-8 W.m-2.K-4
• Pour les corps  non noirs  la loi de Kirchhoff
  généralisée sécrit 
• P e.S.s.T4
•  Où e est le facteur démission total (émissivité
  total) de la surface émettrice
• Valeurs tirées du Hecht (physique chez De Boeck)
• Les échanges thermiques (en terme de puissance)
  peuvent sécrire
• Pech lt 0 si T lt à Text
• Pech gt 0 si T gt à Text
• La sensation de confort thermique dépend du
  rayonnement

Matériau Alu Cu poli Cu oxydé Carbone Peinture blanche Brique rouge Béton Peinture noire Suie Corps noir
Valeur de e (à T 300 K) 0,02 0,03 0,5 0,8 0,87 0,9 0,94 0,94 0,95 1
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La pompe à chaleur (PAC) Description
Efficacité (ou COP)
Grandeur valorisable
Grandeur coûteuse
e gt 1
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La pompe à chaleur (PAC) Description
R134a
Phénomènes endothermiques (absorbant de la chaleur) Phénomènes exothermiques (produisant de la chaleur)
Fusion dun solide Solidification dun liquide
Vaporisation dun liquide Condensation dune vapeur
Sublimation dun solide Condensation en phase solide
Désorption dun gaz ou dune vapeur (dun liquide ou dun solide) Absorption dun gaz ou dune vapeur (dans un liquide (absorption), dans un solide (adsorption))
Détente dun gaz comprimé Compression dun gaz
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La pompe à chaleur (PAC) Description
Les PAC géothermiques  La chaleur est prélevée
dans le sol et restituée à un circuit de
chauffage.
Les PAC eau/eau  La chaleur est prélevée dans
une nappe phréatique et restituée à un circuit
deau.
Les PAC air/eau  La chaleur est prélevée dans
lair extérieur pour être restituée à un circuit
deau (plancher chauffant ou radiateurs).
PAC sol/sol (à détente directe) PAC eau-glycolée/eau PAC sol/eau (procédé mixte)
Le fluide frigorigène circule dans les capteurs et le plancher chauffant. De l'eau additionnée d'antigel circule dans les capteurs et de l'eau circule dans les émetteurs de chauffage. Le fluide frigorigène de la PAC circule dans les capteurs et de l'eau circule dans les émetteurs de chauffage
Horizontal à 60 cm 37 W/m²
2,5 lt e lt 3
5 lt e lt 5,5
3,5 lt e lt 5
Les PAC émettent environ quatre à six fois moins
de CO2 que le système de chauffage au gaz et huit
fois moins que le chauffage au fioul.
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La pompe à chaleur (PAC) Étude thermodynamique
eau
R134a
Source chaude
Source froide
Fluide R134a
SF
SC
Wattmètre