Échange thermique

Définition encyclopédie LAROUSSE : Thermodynamique : nom féminin Branche de la physique qui étudie les propriétés des systèmes où interviennent les notions de température et de chaleur. Chaleur : nom féminin (latin calor, -oris) * Qualité de ce qui est chaud ; température élevée ; sensation que donne un corps chaud : La douce chaleur d’un soleil d’automne. * Qualité d’une couleur, d’un parfum, d’une voix, etc., à la fois soutenus et attirants. * Qualité de quelqu’un, de quelque chose qui est chaleureux, ou qui manifeste de l’ardeur dans les sentiments, de l’animation, etc. : Plaider une cause avec chaleur. * Peintures et vernis : Qualité d’un coloris où dominent le rouge, l’orangé ou certains jaunes. * Physique : Mode de transfert de l’énergie d’un corps à un autre qui ne correspond pas à un travail. (L’énergie ainsi transférée se nomme quantité de chaleur.) Chaleur sensible : La chaleur sensible provoque une hausse de température d’un corps sans en changer de phase. La quantité de chaleur sensible, Qsens, transférée à un corps, ou d’un corps, provoque un changement de température d’une valeur initiale, Tin, à une valeur finale, Tfin. Ainsi, Qsens = m . C . ΔT = m . C . (Tfin – Tin). où m est la masse du corps en kg, C la capacité calorifique* spécifique de la matière dont le corps est composé (définie plus bas) et ΔT la variation de température en Kelvin causée par le transfert de chaleur. Remarque : L’unité de mesure de température Européenne étant le Celsius, les températures données sont en Celsius.

Cela n’est pas gênant car dans la formule, intervient la différence de température (Tfinale – Tinitiale). Cette différence est égale à celle constatée en Kelvin. Dans cette équation, ΔT sera positive si Tfin > Tin c’est-à-dire si l’on transfère de la chaleur au corps. Dans le cas contraire, la perte chaleur ΔT sera négative. Donc, la quantité de chaleur sensible, Q, sera soit positive si le corps gagne de l’énergie, soit négative s’il en perd dans le transfert de chaleur. Cette convention de signe permet d’exprimer mathématiquement la direction de l’échange de chaleur relativement au corps. La capacité thermique (ou capacité calorifique) d’un corps est une grandeur permettant de quantifier la possibilité qu’a un corps d’absorber ou restituer de l’énergie par échange thermique au cours d’une transformation pendant laquelle sa température varie. La capacité thermique est l’énergie qu’il faut apporter à un corps pour augmenter sa température de un Kelvin. Elle s’exprime en Joule/Kg/Kelvin. Elle dépend du matériau. Plus C est grand (voir tableau ci-dessous), plus il faut d’énergie pour élever la température. Puissance : La puissance est la quantité d’énergie fournie par un système à un autre par unité de temps. La puissance correspond donc à un débit d’énergie : P = Q / t avec P : puissance moyenne en Watt (W), Q énergie en Joule (J) et t durée du transfert d’énergie en seconde (s) Rappel : 1Wh = 3600 J, 1h = 3600s donc 1Ws = 1J.

Sur le dessin en coupe ci-dessous et en fonction des modèles 3D SW fournis, indiquer par une flèche rouge le trajet de la chaleur émise par la résistance, jusqu’à l’eau. La résistance est noyée dans une céramique (que nous devons prendre en compte : couleur gris foncé et blancs sur la coupe ci-dessous). Indiquer le nom des composants traversés ainsi que leurs matériaux (eau incluse). La résistance est en marron sur le dessin ci-dessous et l’eau en bleu.Les pertes étant négligées, on suppose que les températures (initiale et finale) sont identiques pour chaque solide. La quantité totale de chaleur sensible est égale à la somme des quantités de chaleur sensible de chaque élément participant au transfert de chaleur. Q sens = Qsens ceram + Q sens corps + Q sens cond + Q sens eau = 1291 + 21780 + 2291 + 4725 = 30087 J La quantité totale de chaleur sensible est égale à la somme des quantités de chaleur sensible de chaque élément participant au transfert de chaleur. Dans notre exemple elle est de 30087 J, ce qui correspond à une quantité de chaleur sensible de 8.35 Wh (1Wh = 3600J)Les activités suivantes nécessitent la maquette didactisée de la cafetière niveau STI2D de chez ERM (référence NES 12 et la centrale d’acquisition NES 11) Temps de préchauffage réel. Chronométrer le temps de préchauffage réel. Le temps de préchauffage est visualisé lors de l’allumage de la machine par le clignotement du bouton POWER. Temps de préchauffage mesuré. Sur le thermomètre digital en façade (cafetière didactisée) : – Faire un relevé des températures, à l’aide de l’affichage digital, toutes les 10 secondes lors : * de la préchauffe de l’appareil (de la mise sous tension jusqu’à la stabilisation de la température durant 10s).