Sommaire: Etude et développement d’un calorimètre adiabatique pour la caractérisation du point-fixe de l’indium. Application des mesures fluxmétriques à l’optimisation des cellules calorimétriques
Introduction Générale
Chapitre 1 : Température et flux, grandeurs conjuguées à l’énergie thermique
I Notions de température et de chaleur : première approche
I-1] La thermodynamique : science de la température et de la chaleur
I-1-1] L’Antiquité
I-1-2] XVIIe et XVIIIe siècles : nouvelles conceptions de la Chaleur
I-2] Notion de température
I-3] Définition d’une échelle de température
I-4] Notion de quantité de chaleur
II Température et chaleur : grandeurs conjuguées à l’énergie thermique
II-1] Propriétés des grandeurs conjuguées à l’énergie
II-2] L’entropie, une grandeur énergétique
III Thermoélectricité
III-1] Historique
III-2] Effets thermoélectriques : définitions
III-2-1] Effet Seebeck
III-2-2] Effet Peltier
III-2-3] Effet Thomson
IV L’Echelle Internationale de Température
IV-1] Introduction
IV-2] La température thermodynamique et ses moyens de mesure
IV-2-1] Définition de la température thermodynamique
IV-2-2] Le thermomètre à gaz à volume constant
IV-2-3] Le thermomètre acoustique
IV-2-3] Le thermomètre à bruit
V Vers une échelle pratique de température, bref historique de la thermométrie
V-1] L’invention du thermomètre
V-2] Les échelles de température
V-2-1] De l’échelle Roemer à l’échelle Fahrenheit
V-2-2] Le thermomètre et l’échelle Réaumur
V-2-3] Un premier aboutissement : la division centésimale
V-3] L’échelle Internationale Pratique de Température : de l’EIT-27 à l’EIT-90
V-3-1] Le thermomètre étalon à résistance de platine
V-3-2] Les échelles internationales de 1927, 1948, 1968 et 1976
V-3-3] L’Echelle Internationale de Température de 1990 (EIT-90)
Bibliographie du chapitre 1
Chapitre 2 : Etude et développement du calorimètre adiabatique
I Introduction aux travaux de modélisation numérique
I-1] Généralités sur le progiciel Comsol®
I-2] Hypothèses simplificatrices
I-2-1] Considérations portant sur la géométrie
I-2-2] Considérations sur les transferts de chaleur
I-2-3] Approximations concernant les transitions de phase
I-3] Modèle de la chaleur spécifique apparente
II Spécifications des cellules calorimétriques
II-1] Elaboration du cahier des charges.
II-2] La calorimétrie adiabatique appliquée aux points fixes cryogéniques de l’EIT-90
II-2-1] Les points fixes cryogéniques de l’EIT-90
II-2-2] La calorimétrie adiabatique aux basses températures
III Modèle du thermomètre à résistance de platine
III-1] Pertes thermiques induites par le TRP
III-2] Modèle numérique du TRP
III-2-1] Construction du modèle numérique
III-2-2] L’auto-échauffement du TRP : un critère de validation du modèle
III-2-3] Résultats des simulations numériques
IV Optimisation des cellules calorimétriques : construction des modèles
IV-1] La cellule et son environnement
IV-2] Conditions aux limites
V Résultats des simulations
V-1] Simulation des plateaux de fusion
V-2] Influence du chauffage vis-à-vis de la configuration « classique »
V-3] Influence de la garde
VI Conclusion du chapitre 2
Bibliographie du chapitre 2
Chapitre 3 : Exploitation expérimentale du calorimètre adiabatique
I Généralités sur le point-fixe de l’indium (t90 = 156,5985°C)
I-1] Cellules au point de l’indium
I-2] La mise en œuvre du point-fixe de l’indium
I-3] Position du problème
II Influence des impuretés sur les plateaux de fusion et de congélation
II-1] Généralités
II-2] Modèles de ségrégation des impuretés
II-2-1] Le modèle de Solidification à l’Equilibre (SE)
II-2-2] Le modèle de Solidification de Scheil-Gulliver (SSG)
III Principe du calorimètre adiabatique
IV Observation du régime adiabatique : application initiale du fluxmètre
IV-1] Mise en régime du calorimètre
IV-2] Suivi des conditions adiabatiques
IV-3] Détection du changement d’état
V Le Banc d’essai « Nouveaux Point-fixes »
V-1] La centrale d’acquisition à multiplexeur modèle Agilent 34980A
V-2] L’instrumentation au sein du calorimètre adiabatique
V-3] Le pont comparateur de résistance ASL-F900
V-4] Résistance étalon de référence
V-5] La cellule point-fixe du gallium, modèle Isotech
V-5-1] Principe de la méthode des tangentes
V-5-2] Influence de l’historique des congélations
V-5-3] Raccordement de la cellule de gallium
VI La mesure de température
VI-1] Principe des résistances réduites
VI-2] Les conversions de résistances réduites en température
VII Caractérisation thermique du calorimètre adiabatique
VII-1] Définition du profil thermique
VII-2] Caractérisation thermique du calorimètre
VII-2-1] Influence de la masselotte
VII-2-2] Influence de l’interface solide-liquide dans la cellule
VII-2-3] Influence des gardes latérale et supérieure
VIII Mise en œuvre de la cellule hybride : méthode adiabatique.
VIII-1] Caractérisation du système
VIII-2] Analyses en 1/f
IX Mise en œuvre de la cellule hybride : méthode à flux permanent
IX-1] Principe de la méthode et optimisation du calorimètre
IX-2] Caractérisation du système
IX-3] Analyse en 1/f en mode flux permanent
IX-4] Influence de l’historique de congélation
IX-5]Corrections systématiques spécifiques à la cellule hybride
X Mise en œuvre de la cellule anneau
X-1] Calorimètre adiabatique adapté à la cellule anneau
X-2] Profils thermiques
X-3] Essais en fusion
XI Conclusion du chapitre 3 et discussions.
XI-1] Quant à la terminologie ; calorimètre adiabatique ou calorimètre isotherme
XI-2] Comparaison des modes adiabatique et à flux permanent
XI-3] Divergences des tracés en 1/f
XI-4] Ségrégation et influence des impuretés
Bibliographie du chapitre 3
Chapitre 4 : Analyse fluxmétrique appliquée au cell-within-cell
I Les fluxmètres conductifs
I-1] La thermopile planaire
I-2] Association collecteur-cale
I-3] Fluxmètres à paroi auxiliaire
I-4] Fluxmètres à gradient tangentiel
I-4-A] Constriction des lignes de flux
I-4-B] Structures à simple déflexion de flux
I-4-C] Structures à double déflexion de flux
II Application de la mesure fluxmétrique au dispositif cell-within-cell
II-1] A propos de l’interprétation de l’enregistrement des données
II-2] Analyse du processus de fusion d’un point de vue thermodynamique
III Capteurs et mesures
III-1] Fluxmètre prototype MCO
III-2] Mise en œuvre et spécificités des capteurs de flux de chaleur
IV Traitement des données et principaux résultats
IV-1] Premières observations
V-2] Signatures d’entrée et de sortie de plateau
V-3] Comportement thermique de la configuration cell-within-cell.
V-3-1] Analogie électrique à l’état d’équilibre thermique.
V-3-2] Sortie du plateau et run-off
V-4] Considérations thermodynamiques sur les mesures couplées flux/température
V-4-1] Température aux limites du plateau
VI Traitement du signal
V-1] Méthode de filtrage numérique des signaux fluxmétrique
VI-2] Mise en évidence d’un signal périodique
VII Mode adiabatique : nouvelles considérations sur l’analyse des plateaux de fusion
VIII Conclusions du Chapitre 4
Bibliographie du chapitre 4
Conclusion Générale
Annexes
Procédure de remplissage pour les cellules à l’indium : exemple de la cellule « anneau »
Equilibre de changement d’état et 2nde Loi de Raoult pour la cryoscopie
Liste des tableaux et figures
♣ Extrait du mémoire
Chapitre 1 Température et flux, grandeurs conjuguées à l’énergie thermique : généralités
I Notions de température et de chaleur : première approche
I-1] La thermodynamique : science de la température et de la chaleur
I-1-1] L’Antiquité
Durant l’Antiquité, les Anciens confondent aisément les notions de chaleur et de température. Cette confusion n’est toujours pas abolie de nos jours où le sens commun impose en effet au néophyte une association entre la sensation sur le corps et le phénomène physique évoqué en termes de chaleur. Les idées troublées par ces aspects sensibles, certains philosophes de la Grèce Antique, et plus particulièrement Empédocle d’Agrigente (Ve siècle avant J.C), défendent une doctrine physique, s’inscrivant dans le cadre de la Cosmologie, qui plaide pour l’existence de quatre éléments fondamentaux que sont l’eau, le feu, la terre et l’air. Aristote abonde dans le sens de cette confusion et postule que le chaud, le froid, le sec et l’humide sont «quatre qualités fondamentales sous l’influence desquelles la matière première du monde forma les quatre éléments».
Cependant, cette confusion des idées n’empêche pas certains esprits inventifs de s’appuyer sur ces phénomènes physiques pour en exploiter une potentielle source d’énergie. C’est ainsi que Héron d’Alexandrie, en sa qualité d’ingénieur, mécanicien et mathématicien grec, conçoit l’éolipile (littéralement « Porte d’Eole « ), machine pneumatique constituée d’une sphère fixée sur un axe, bardée de deux tubes coudés sortant de manière opposée. En apportant de la chaleur à l’eau contenue dans la sphère, la vapeur formée lui confère, par propulsion, un mouvement de rotation. Héron d’Alexandrie fut l’un des premiers à découvrir qu’en apportant de la chaleur, il est possible de récupérer un travail mécanique (figure 1.1).
Jusqu’à la Renaissance, les principes physiques énoncés par les Anciens conservent le statu quo. C’est par exemple le cas pour la Cosmologie, avec l’exemple des Sphères d’Aristote pourtant mis à mal par la théorie Héliocentriste de Copernic qui tarde à s’imposer du fait de l’influence de l’Inquisition. Cependant, cette époque, qui sera plus tard perçue comme l’âge d’or de la philosophie et des sciences, voit l’apparition de nouveaux instruments de mesures. C’est alors que la notion de chaleur, étudiée en termes de transferts thermiques, est tardivement mais finalement reconnue comme une discipline scientifique à part entière et connaît alors un nouvel essor. Des recherches expérimentales sont alors entreprises, et une théorie mathématique finit par éclore. On peut par exemple citer les travaux menés par Galilée (Galileo Galilei) sur la dilatation thermique, grâce aux premiers thermomètres conçus entre les XVII siècles.
Compte tenu de l’importance accordée aux mesures de température pour le sujet qui nous a été confié, un paragraphe consacré à ces premiers thermomètres est proposé au lecteur dans les pages qui suivent.
I-1-2] XVIIe et XVIIIe siècles : nouvelles conceptions de la Chaleur
A cette époque, de nombreuses réflexions émergent des esprits des scientifiques du moment, émulés par le fameux Cogito de Descartes « Je pense, donc je suis ». La notion de chaleur n’échappe pas à cette révolution cognitive. En 1620, Francis Bacon se réclame comme l’apôtre de l’approche expérimentale et mène de nombreuses observations sur la chaleur. Il finit par suggérer que celle-ci est liée au mouvement.
De son côté, Descartes (représenté en figure 1.2a) affirme que la notion de chaleur se rapporte aux éléments de base de sa philosophie, à savoir l’étendue et le mouvement.
A l’instar de la conception scolastique qui considère la chaleur comme une quantité, Descartes suppose qu’un corps sera chaud ou froid selon que le mouvement des particules de matière qui le constituent ont un mouvement « ample et rapide », Ainsi, le lien est fait entre le mouvement calorifique et la quantité de mouvement. Une nouvelle définition pour la chaleur est alors proposée par Descartes : « la quantité de chaleur qu’un corps dégage en se modifiant, c’est la diminution de quantité de mouvement qui anime les petites parties de ce corps ».
A noter que Leibniz et Newton (figures (1.2b) et (1.2c)) ont également retenu cette conception, bien que Leibniz ait préféré considérer la force vive, concept obsolète qui servit de première et d’élémentaire formulation de la conservation de l’énergie, comme la résultante de ce mouvement.
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