Nouveaux programmes de Terminales S rentrée2012

1. Nouveaux programmes de Terminales S rentrée2012 Eléments de formation sur la partie « Transferts d’énergie entre systèmes macroscopiques »

2. « 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 d’erreurs et d’incompréhensions proviennent d’ambiguïtés concernant la délimitation du système auquel on applique tel ou tel résultat général, et la situation précise dans laquelle il se trouve . BO : Système

3. « Construction » de l’énergie totale d’un système - déplacement d’ensemble 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 l’énergie interne d’un système macroscopique résulte de contributions microscopiques Énergie interne

4. Premier principe pour les systèmes fermés (qui ne sont le siège d’aucune variation d’énergies potentielles macroscopiques ni de variations d’énergie cinétique macroscopique) extérieur système Fonction d’état : indépendante « du chemin » Travail « reçu » Transfert thermique « reçu » Grandeurs algébriques comptées positives si le système « reçoit », négative sinon Machine motrice : moteur, turbine … Wr < 0 Machine réceptrice : PAC, frigo, compresseur… Wr > 0 Question de système : on se place du point de vue du fluide et non de l’arbre mécanique de sortie ! Les « électriciens » se positionnent en général avec la convention opposée, source possible de « mésententes »

5. Premier principe pour les systèmes fermés (qui ne sont le siège d’aucune variation d’énergies potentielles macroscopiques, ni de variations d’énergie 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 d’état, les variations de ces deux grandeurs dépendent du « trajet » suivi http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/firlaw.html#c1

6. Variations d’énergie 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 d’énergie interne et la variation de température pour un corps dans un état condensé NOTATIONS

7. Thermodynamique de l’effet Joule R I Système : la résistance R Régime stationnaire : pas d’accumulation d’énergie interne dans la résistance Le système cède de l’énergie sous forme de chaleur (càd un transfert thermique) à l’extérieur. BO : Etablir un bilan énergétique faisant intervenir transfert thermique et travail

8. Notions d’irréversibilité (sans le second principe !) Dans le cas précédent le transfert thermique ne s’effectue que dans le sens de la source de haute température vers la source de basse température et jamais dans l’autre sens (sauf dans le cas de certaines machines thermiques; voir l’énoncé de Rudolf Clausius : «La chaleur ne passe pas d’elle – même d’un corps de basse température  vers un corps de plus haute température» ) L’air ambiant ne réchauffera jamais la résistance (d’un sèche-cheveux pour illustrer) Les frottements, la diffusion, les turbulences sont des sources de non-réversibilité Irréversibilité fixe le sens des échanges d’énergies BO : Notion d’irréversibilité

9. Notions d’irréversibilité (sans le second principe !) rendement ~ 80 % L’étude de texte, documents et diagrammes (sur les machines thermiques, en lien avec la partie enjeux énergétiques) permettra de mettre en avant que les sources d’irréversibilités diminuent le rendement et/ou l’efficacité de celles-ci. On notera la profonde dissymétrie entre W et Q, c’est uniquement cette dernière grandeur –même lors de transformations réversibles- qui entraîne des variations d’entropie… rendement ~20 % Transfo réversible vs irréversible Diagramme réel Diagramme idéal Irréversibilité Diminution des rendements et/ou efficacités des machines

10. 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 quandla température du corps augmente animation convection animation conduction 300K 6000K BO : Conduction, convection, rayonnement 10 μm (IR) 0,5 μm

11. 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 >0 La conductivité thermique d’un 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 La conductivité thermique des gaz, au voisinage de la pression atmosphérique, croît avec la température. À l’exception 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.

12. 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

13. 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

14. Manipulations en Sciences-Physiques Appareil de conduction thermique (Turgot) Circuit de refroidissement Four T 12 sondes de température • Barre cylindrique d’Aluminium (λ = 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 Φ dans la barre.

15. Exemple d’appareil de mesure de la résistance thermique (Dautry) T1 : température ambiante T2 = T1-10°C L’afficheur indique : T1-T2 , et e/l Exemples de mesures possibles - Vérifier l’addition des résistances thermiques d’une superposition de différents matériaux. Exemple : béton et coton. - Comparer la résistance thermique d’un revêtement sec et d’un 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 d’un prototype réalisé par des professeurs de l’académie de Montpellier (cf RNSTL)

16. Association de résistances thermiques en série : exemple du double-vitrage sont parcourues par le même flux Simple vitrage Double vitrage verre-air-verre T2=270K e = 6 mm S = 1 m² T1=295K T2=270K T1=295K ev1=3mm ; eair=3mm ; ev2=3mm Calculer Rth1 et le flux Calculer Rth2 et le flux

17. Association de résistances thermiques en parallèle sont soumises à la même différence de température Rth1 T1 T2 Rth2 T2 T1

18. Thermique de l’habitat : 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

19. Bilan thermique sur un système fermé Premier principe de la thermodynamique appliqué à la thermique. • Problématique : • Maison « froide » ( Text = 0°C) • 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 l’évolution de T =f(t) ?

20. Bilan thermique STOCKAGE ECHANGES SORTANTS PRODUCTION PRODUCTION = STOCKAGE + ECHANGES SORTANTS On allume le chauffage Dans l’air et les murs Pertes thermiques

21. Bilan thermique en Watt PRODUCTION = STOCKAGE + ECHANGES SORTANTS T(t) Text En régime permanent : pas de stockage

22. 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

23. Manipulations en Sciences-Physiques Bilan thermique T(t) Text On déduit la résistance thermique Rth Comparer des matériaux isolants.

24. Conducto – convection à l’interface paroi - fluide La mécanique des fluides nous indique qu’au 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 < h < 10 W.K-1.m-2 Couche limite 10< h < 300 W.K-1.m-2 Eau : Eau : 100 < h < 1000 W.K-1.m-2 300 < h < 12000 W.K-1.m-2

25. Prise en compte des résistances conducto-convectives he hi

26. 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. sest une constante égale à 5,6.10-8W.m-2.K-4 Pour les corps « non noirs » la loi de Kirchhoff généralisée s’écrit : P = e.S.s.T4  Où e est le facteur d’émission total (émissivité total) de la surface émettrice Valeurs tirées du Hecht (physique chez De Boeck) Les échanges thermiques (en terme de puissance) peuvent s’écrire Pech < 0 si T < à Text Pech > 0 si T > à Text La sensation de confort thermique dépend du rayonnement (d’où l’apparition de radiateur rayonnants)

27. La pompe à chaleur (PAC) Description Efficacité (ou COP) : Grandeur « valorisable » Grandeur « coûteuse » e > 1

28. La pompe à chaleur (PAC) Description R134a

29. 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 d’eau. Les PAC air/eau: La chaleur est prélevée dans l’air extérieur pour être restituée à un circuit d’eau (plancher chauffant ou radiateurs). Horizontal à 60 cm : 37 W/m² 2,5 < e < 3 5 < e < 5,5 3,5 < e < 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.

30. La pompe à chaleur (PAC) Étude thermodynamique eau R134a Source froide Source chaude Fluide R134a SF SC Wattmètre