EXERCICES CORRIGES p : 365 à 374.Ch.14. TRANSFERTS MACROSCOPIQUES D ENERGIE.

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1 Thème2 : Comprendre. Lois et modèles. Energie et développement durable P : 1 EXERCICES CORRIGES p : 365 à 374.Ch.14. TRANSFERTS MACROSCOPIQUES D ENERGIE. Ch.14. N 13 p : 365 : Calculer une variation d'éner gie interne On considère un système qui échange de l'énergie avec l'extérieur. On a représenté sur le schéma ci-contre ces transferts. On donne W = 120 J, Q 1 = 100 J et Q 2 = 200 J. 1. Quelles sont les causes possibles d'une variation de l'énergie interne d'un système? 2. Préciser les signes des transferts d'énergie W, Q 1 et Q 2. Justifier la réponse. 3. Quelle est la variation de l'énergie interne du système? 1. L énergie interne d un système peut varier si le système échange avec l extérieur de l énergie par travail ou par transfert thermique. 2.Les flèches indiquent le sens du transfert énergétique. W et 0 1 sont reçus par le système, donc W > 0 et Q 1 > 0. Le système perd Q 2 par transfert thermique, donc Q 2 < 0. 3.La variation d énergie interne est : U = W + Q 1 + Q 2 = = + 20 J. L énergie interne du système augmente de 20 J. Comment s'effectuent les transferts thermiques? N 14 p : 365 : Identifier des modes de transferts t hermiques Certaines douches solaires sont constituées d'un sac plastique noir dans lequel on place de l'eau et que l'on expose au Soleil. Identifier le mode de transfert thermique : a. du Soleil vers le sac plastique; b. du sac plastique vers l'eau qu'il contient; c. dans l'eau contenue dans le sac plastique. a.le transfert thermique du Soleil vers le sac se fait par rayonnement. b.le transfert thermique du sac vers l eau se fait par conduction. c.le transfert thermique dans l eau se fait par convection. N 15 p : 365 : Illustrer des modes de transferts th ermiques En été et par beau temps, l'eau d'une piscine est à la température de 25 C. La température de l'air est de 30 C et celle du sol qui entoure la piscine est de 17 C. Dans cette situation, donner un exemple où un transfert thermique a lieu : a. par conduction; b. par convection; c. par rayonnement. a. Il y a des transferts thermiques par conduction entre la piscine et le sol qui l entoure, entre l eau de la piscine et la couche d air à son contact. b. Il y a des transferts thermiques par convection dans l eau de la piscine, dans l air. c. Il y a des transferts thermiques par rayonnement entre le Soleil et la piscine, et entre le Soleil et le sol. N 16 p : 365 : Reconnaître un mode de transfert Lors de la découpe d'une plaque métallique à l'aide d'une scie à métaux, on constate un échauffement important de la plaque et de la scie. 1. Comment varie l'énergie interne de la plaque métallique lors du découpage? 2. Par quel mode de transfert subit-elle cette variation d'énergie interne? 1. La température de la plaque augmente, son énergie interne également. 2. La plaque reçoit un travail mécanique de la force de frottement de la scie sur la plaque. Ce travail augmente localement la température de la plaque. Il y a ensuite un transfert thermique par conduction dans toute la plaque. N 17 p : 365 : Calculer et exploiter un flux thermi que On peut trouver sur le marché des casseroles en aluminium et d'autres en cuivre. Pour déterminer lequel de ces deux matériaux est celui qui transfère l'énergie thermique le plus rapidement, Marc utilise deux plaques de mêmes dimensions, l'une en cuivre et l'autre en aluminium. Il maintient un écart de température constant et égal à 5,0 C entre les deux faces planes et parallèles de la plaque de cuivre. Le transfert thermique, pendant une durée de 15 min, entre les deux faces est Q Cu = 4,4 x 10 6 J. Ensuite, il procède de même avec la plaque d'aluminium dont la résistance thermique est R th Al = 1,7 x 10-2 K.W -1. Donnée : Le flux thermique a pour expression : ϕ = Q = T 1 T 2 1. Quel est le flux thermique qui traverse : a. la plaque de cuivre? b. la plaque d'aluminium? 2. Pour des dimensions identiques, quel est le matériau qui transfère le plus rapidement l'énergie thermique? 1. a. Le flux thermique qui traverse la plaque de cuivre est: ϕ Cu = Q Cu = 4,4 x 10 6 = 4,9x10 3 W t 15 x 60 b. Le flux thermique qui traverse la plaque d aluminium est : ϕ Al = T = 5,0 = 2,9 x 10 2 W R th_al 1,7 x Pour des dimensions identiques, le flux thermique qui traverse une plaque d aluminium est moins important que celui qui traverse une plaque de cuivre. Un flux thermique est l énergie transférée à travers une surface par unité de temps. Le cuivre est donc le métal qui transfère le plus rapidement l énergie thermique.

2 Thème2 : Comprendre. Lois et modèles. Energie et développement durable P : 2 N 18 p : 365 : Calculer une énergie thermique trans férée La fenêtre d'une chambre est constituée d'un simple vitrage. La température de la chambre est T i = 19 C et la température extérieure T e = -1 C. Ces températures sont considérées constantes. 1. Schématiser la situation en précisant le sens du transfert thermique à travers la vitre. 2. Calculer la valeur du flux thermique à travers la vitre. 3. Quelle est l'énergie thermique transférée en 1,25 h? Données: Le flux thermique s'écrit ϕ = Q = T 1 T 2 ; La résistance thermique de cette vitre est : R th = 5,0 x 10-3 K.W Le flux thermique est orienté de la source chaude (l intérieur) vers la source froide (l extérieur). 2. Le flux thermique s exprime par : ϕ = T 1 T e = (19 ( 1)) = 20 soit ϕ = 4,0 x 10 3 W R th_vitre 5,0 x ,0 x 10 3 Le flux thermique à travers la vitre est de 4,0 x 10 3 W. 3. L énergie thermique transférée s écrit : Q = ϕ t avec t exprimé en seconde. En 1,25 h, elle a pour valeur : Q = 4,0 x 10 3 x 1,25 x = 1,8 x 10 7 J. Comment établir un bilan d'énergie? Ch.14. N 19 p : 366 : Établir un bilan énergétique Un cumulus électrique est une réserve d'eau chauffée par un conducteur ohmique. En l'absence de chauffage, la température de l'eau chaude qu'il contient diminue au fil des heures. On souhaite faire le bilan énergétique de l'eau contenue dans le cumulus. 1. Définir le système étudié. 2. Relever la nature des transferts énergétiques entre ce système et l'extérieur. 3. Repérer le sens de ces transferts et leur attribuer un signe. 4. Présenter le bilan énergétique à l'aide d'un schéma. 1.Le système étudié est l eau contenue dans le cumulus. 2.La résistance, est traversée par un courant électrique, transfère à l eau de de l énergie par le travail électrique W élec. La température de l eau diminue, donc elle perd de l énergie Q par transfert thermique. 3. L eau reçoit de l énergie par travail, donc W > 0 et en perd par transfert thermique, Q < 0. L énergie re9ue par rayonnement est négligeable 4.. POUR S ENTRAINER. Ch.14. N 20 p : 366. Des nombres astronomiques à l 'échelle microscopique! COMPÉTENCES : Calculer; faire preuve d'esprit critique. En 2011, on dénombre 7,0 milliards d'êtres humains sur Terre. Le nombre d'étoiles de la Voie lactée est évalué à 234 milliards et celui d'étoiles dans l'univers à 7 x Que représente la constante d'avogadro? 2. Convertir en moles les nombres cités ci-dessus. 3. Pourquoi avoir introduit la quantité de matière en chimie? Donnée : N A = 6,02 x mol La constante d Avogadro représente le nombre d entités présentes dans une mole de cette entité (atomes, ions, molécules, etc.). 2. La conversion s effectue en divisant par la constante d Avogadro : n(humains) = 1,2 x mol ; n(étoiles,voie Lactée) = 3,89 x mol ; n(étoiles, Univers) = 0,1 mol. 3. Le nombre d entités microscopiques présentes dans un système macroscopique étudié en chimie est gigantesque (il y a presque dix fois plus d atomes dans une mole que d étoiles dans tout l Univers). Travailler avec des quantités de matière permet de manipuler plus commodément des nombres. Cette grandeur est adaptée à l échelle macroscopique. N 21 p : 366. Chacun son domaine et les unités ser ont bien gardées! COMPÉTENCES : Extraire des informations; calculer. Suivant que le système étudié est défini à l'échelle microscopique ou à l'échelle macroscopique, on n'utilise pas toujours les mêmes grandeurs ou les mêmes unités. Par exemple, la constante de Boltzmann k B et la constante molaire des gaz parfaits R sont utiles notamment pour modéliser le comportement d'un gaz. La charge élémentaire e et la constante de Faraday F permettent d'exprimer des charges électriques. De même, l'unité de masse atomique, de symbole u, et le gramme, g, permettent d'exprimer des masses. L'unité de masse atomique est définie comme le douzième de la masse d'un atome de carbone Quel est le facteur de proportionnalité entre : a. la constante molaire des gaz parfaits et la constante de Boltzmann? b. la constante de Faraday et la charge élémentaire? c. le gramme et l'unité de masse atomique? 2. Dans un tableau, regrouper les grandeurs et les unités relatives au domaine microscopique et celles relatives au domaine macroscopique. 3. Quel est l'intérêt de définir des unités hors du Système International comme l'unité de masse atomique? Données: e = 1,60 x C; F = 9,65 x 10 4 C.mol -1 ; k B = 1,38 X J.K -1 ; R = 8,31 J.mo1-1 K -1 ; M ( 12 C) = 12,0 g. mol -1 ; N A = 6,02 x mol À l aide des données de l énoncé, on calcule : a. R = 6,02 x mol 1 N A b. F = 6,03 x mol 1. N A k B e c. D après la définition de l unité de masse atomique : 1 u = 1 x m (1 atome 12 C) = m (1 mol 12 C) 12 12N A 1u = 1 x 1 x M( 12 C) = 1 g On retrouve encore une fois le nombre d Avogadro. 12 N A N A 2. Le passage d un domaine à l autre se faisant grâce à la constante d Avogadro : Domaine microscopique Domaine macroscopique k B R 3. Certaines unités sont mal adaptées à l échelle micro- ou macroscopique. Il est souvent plus commode de manipuler des nombres qui ne sont ni infiniment petits, ni infiniment grands (sans puissance de dix), d où l introduction de e nouvelles unités comme F celle de masse atomique, plus facile à manipuler que 1,66 x g. 1 u 1 g

3 Thème2 : Comprendre. Lois et modèles. Energie et développement durable P : 3 Ch.14. N 22 p : 366. Calculer une variation de te mpérature COMPÉTENCES : Raisonner; calculer. Dans un radiateur à bain d'huile, des conducteurs ohmiques chauffent l'huile qu'il contient. En refroidissant, cette huile transfère de l'énergie thermique à la pièce dans laquelle se trouve le radiateur. On considère un radiateur contenant 5,0 L d'huile portée à une température de 50 C. On coupe l'alimentation du radiateur. Au bout d'un certain temps, l'huile est à la température de la pièce. L'énergie thermique transférée est de 2,2 x 10 2 kj. Données: c huile = 2,0 x 10 3 J. kg -.K -1 ; d huile = 0,81; ; ρ eau = 1,00 kg.l Quel est le signe de la variation de l'énergie interne de l'huile? 2.Quelle est la température de l'huile du radiateur lorsqu'elle atteint celle de la pièce? 1. La température de l huile diminue ; il en est de même pour son énergie interne. La variation d énergie interne de l huile est donc négative. 2. La variation d énergie interne de l huile s exprime par : U = m c (T f Ti) avec m la masse de l huile. m = V huile d huile ρ eau d où U = V huile d huile ρ eau (T f - T i ). On en déduit : Tf = U + T 1 A.N. : T f = - 2,2 x soit T f 23 C V huile d huile ρ eau. c huile 5,0 x 0,81 x 1,00 x N 23 p : 366. Une ou plusieurs couches? COMPÉTENCES : Raisonner; argumenter Le tableau ci-contre indique les résistances thermiques de plusieurs matériaux ayant une surface de 1,0 m 2 et une épaisseur de 2,0 mm. 1. Quel est le matériau le mieux adapté pour un vêtement d'hiver? Justifier. 2. Quelle est la résistance thermique totale de plusieurs matériaux accolés les uns contre les autres? 3.a. Qu'y a-t-il entre deux vêtements superposés? b. Pourquoi conseille-t-on de mettre plusieurs vêtements fins plutôt qu'un seul épais pour se préserver du froid? Donnée : la résistance thermique d'une surface de 1 m 2 d'air d'épaisseur égale à 2 mm a pour valeur Rt h_air = 7,6 x 10-2 K.W Le matériau le mieux adapté aux vêtements d hiver est celui qui a la résistance thermique la plus élevée, c est-à-dire le feutre. 2 Lorsqu on accole plusieurs matériaux, la résistance thermique totale est la somme des résistances thermiques de chacun des matériaux. 3.a. Entre deux vêtements est emprisonnée une fine épaisseur d air. b. On constate que, pour une même épaisseur e, l air a une résistance thermique plus élevée que les matériaux présentés. C est donc un bon isolant thermique. Deux vêtements de même épaisseur, l un constitué d un tissu unique et l autre d une superposition de tissus fins, n ont pas la même résistance thermique. La résistance du tissu épais est plus faible que la somme de la résistance des tissus fins et de celle de l'air emprisonné dans ces tissus. N 24 p : 367. Mesure d'une résistance thermique Compétences : Calculer ; estimer une incertitude Pour déterminer la résistance thermique d'un échantillon, on le place entre deux plaques d'aluminium de résistances thermiques négligeables. En serrant l'échantillon, on obtient une température homogène sur chaque face de l'échantillon. En réglant la puissance électrique d'un conducteur ohmique chauffant, on maintient : la face supérieure de l'échantillon à la température ambiante T i ; la face inférieure de l'échantillon à une température T 2, inférieure à la température T 1. La puissance électrique du conducteur ohmique chauffant est égale au flux thermique. On souhaite mesurer la résistance thermique d'une surface plane de polystyrène. On impose sur la face inférieure de la plaque de polystyrène une température T 2 = 8,0 C. La face supérieure est maintenue à la température ambiante T 1 = 20,0 C. Le flux affiché par l'appareil de mesure est ϕ = 0,100 W. 1. Calculer la résistance thermique R th de la plaque de polystyrène. 2. Le flux thermique mesuré par l'appareil est celui qui traverse la plaque supérieure d'aluminium, le polystyrène et la plaque inférieure d'aluminium. a. Pourquoi la résistance thermique des plaques d'aluminium doit-elle être faible? b. On évalue la résistance thermique de chaque plaque d'aluminium à R th = 3,2 x 10-3 K.W -1. Est-elle négligeable comme l'indique la notice? 3. L'appareil mesure les températures T i et T 2 à deux dixièmes de degré près. On estime à 6 % l'incertitude relative sur la mesure du flux thermique. a. Quelle est l'incertitude de mesure sur le flux thermique cp traversant la plaque? Donner un encadrement de ϕ. b. L'incertitude de mesure U( T) sur l'écart de température T= T 1 - T 2 a pour expression : Évaluer cette incertitude et donner un encadrement de T. c. Lorsqu'une grandeur A a pour expression A = B / C, l'incertitude de mesure U(A) sur A peut être évaluée par : U(B) et U(C) étant respectivement les incertitudes sur B et C. Donner l'expression de l'incertitude U(R th ) sur la valeur de la résistance thermique de la plaque. Donner un encadrement de R th et écrire sa valeur associée à son incertitude. Donnée: Le flux thermique s'écrit ϕ = Q = T 1 T 2 1. La résistance thermique se calcule à partir de l expression du flux thermique.r th = T 1 T 2 = 20,0 8,0 = 120 K.W -1. ϕ 0,100 La résistance thermique de cette plaque d aluminium est de 120 K W a. La résistance thermique de l appareil est la résistance de la plaque de polystyrène plus celle des deux plaques d aluminium : R th_tot = R th + 2 R th. La résistance thermique des plaques d aluminium doit être faible devant celle du polystyrène pour que la valeur mesurée soit identifiable à la résistance thermique du polystyrène. b. On vérifie que 2 R th << R th ; la résistance thermique de l aluminium est négligeable devant celle du polystyrène. 3. a. U(ϕ) = 0,06 x 0,100 = 0,006 W. La valeur du flux thermique a une valeur encadrée par : 0,094 W < ϕ < 0,106 W b. d où 11,7 C < T < 12,3 C. c. À partir de la formule de calcul d incertitude du texte et de R= T / ϕ, on déduit : Matériau Résistance thermique en K.W -1 Nylon 8,0 x 10-3 Cuir 1,1 x 10-2 Feutre 5,5 x 10-2 D où 112 K.W -1 < R th < 128 K.W -1, ce qui s écrit aussi : R th = 120 ± 8 K.W -1

4 Thème2 : Comprendre. Lois et modèles. Energie et développement durable P : 4 N 25 p : 367. BAC. Four à micro-ondes Compétences : Mobiliser ses connaissances; calculer. Dans un four à micro-ondes, le magnétron émet des ondes de MHz dans la cavité du four où sont placés les aliments. Ces ondes sont absorbées par les molécules d'eau des aliments, soit directement, soit après réflexion sur les parois de la cavité. Cela provoque une oscillation de ces molécules d'eau qui entraîne une augmentation de la température des aliments. Les parties solides ou n'absorbant pas les micro-ondes chauffent au contact des parties chauffées directement par ces ondes. 1. Vérifier que les ondes décrites appartiennent bien au domaine des micro-ondes. On s'aidera du spectre des ondes électromagnétiques, p Quels sont les modes de transfert thermique principalement mis en jeu lors du chauffage d'un aliment avec un four à micro-ondes? 3. Avec un four de puissance 750 W, on chauffe 500 g d'eau liquide. En 1 min 30 s, la température de l'eau varie de 18,2 C à 40,8 C. a. Calculer la variation d'énergie interne de l'eau liquide. b. Calculer l'énergie consommée par le four au cours de son fonctionnement. c. Calculer le rendement de conversion du four. Donnée: c(h 2 0(l)) = 4,18 kj.kg -1 K -1. Rappel de Première S : le rendement de conversion est le rapport de l'énergie exploitable en sortie sur l'énergie utilisée en entrée. 1. La fréquence des ondes décrites est comprise entre 109 et 1011 Hz, ce qui correspond bien, d après le spectre des ondes électromagnétiques, au domaine des micro-ondes. La longueur d onde dans le vide se calcule par : λ = c = 3 x 10 8 = 0,122 m ν 2,450 x Du magnétron à l eau liquide, le transfert thermique s effectue par rayonnement. De l eau liquide aux autres parties de l aliment, il s effectue par conduction thermique. 3. a. Pour une masse m d eau, la variation d énergie interne s écrit : U = m c (H 2 O (l)) (T f T i ) AN : U = 0,500 x 4,18 x 10 3 x (40,8 18,2) = 47,2 x 10 3 = 47,2 kj. U est positive, ce qui est cohérent avec l augmentation de la température de l eau. b. L énergie consommée par le four est : E cons = 750 x 90 = 67,5 kj. c. Le rendement de conversion du four est : ρ = U = 0,70. Le rendement de conversion du four est de 70 %. E cons N 26 p : 367. Chauffage à reflux Compétences : Mobiliser ses connaissances ; rédiger. L'estérification de l'acide salicylique en aspirine se fait en présence d'anhydride éthanoïque et à chaud. Comme pour de nombreuses synthèses organiques, on réalise un chauffage à reflux de solvant. 1. Schématiser et légender le montage de chauffage à reflux. 2. Décrire les transferts thermiques et les phénomènes microscopiques mis en jeu. 3. Quel est l'intérêt d'un tel montage par rapport à un simple chauffage? 1. Il faut utiliser un chauffe-ballon et un ballon muni d une colonne réfrigérante à air ou, plus efficace, à eau. Pour pouvoir arrêter le chauffage rapidement, il faut installer le montage sur un support élévateur. 2. Par conduction thermique entre le chauffe-ballon et le ballon, le contenu de celui-ci est chauffé, son énergie interne croît. Il y a aussi des courants de convection au sein du mélange liquide. Quand la température est suffisamment élevée, le corps le plus volatil (en général le solvant) est vaporisé (rupture des interactions intermoléculaires qui assuraient la cohésion du liquide). Les vapeurs atteignent la colonne réfrigérante et y sont refroidies (par conduction essentiellement dans un réfrigérant à air et par conduction et convection dans un réfrigérant à eau). L agitation thermique et donc la température diminuent (l énergie interne de la phase vapeur décroît) jusqu à atteindre la température de changement d état et les vapeurs se condensent (l agitation thermique n est plus suffisante pour empêcher les interactions moléculaires, assurant la cohésion du liquide, de s établir). Le liquide retombe dans le ballon et il est de nouveau chauffé. 3. Ce montage permet de chauffer le milieu réactionnel, ce qui accélère la réaction, sans perte de matière. Ch 4. N 27 p : 368. À chacun son rythme Compétences : Calculer; raisonner; exploiter une relation. Cet exercice est proposé à deux niveaux de difficulté. Dans un premier temps, essayer de résoudre l'exercice de niveau 2. En cas de difficultés, passer au niveau 1. Pour conserver une boisson au frais pendant un repas, les restaurateurs proposent de plus en plus à leurs clients un sac plastique avec de l'eau froide plutôt qu'un seau en acier. L'intérêt n'est-il qu'esthétique? Pour répondre à cette question, on s'intéresse à un sac en plastique et à un seau en acier de mêmes dimensions et contenant la même quantité d'eau froide à la température de 2 C. On se place dans des conditions où on pourra négliger le transfert thermique par rayonnement. La température ambiante est de 22 C. Dans ces conditions, le flux thermique à travers la surface du sac en plastique est de 200 W. Données : Flux thermique ϕ = Q = T 1 T 2 La résistance thermique du seau en acier étudié a pour valeur R th acier = 2,4 x 10-4 K.W -1. Niveau 2 (énoncé compact) 1. Quels sont les modes de transfert thermique entre l'eau froide et l'extérieur? 2.Le sac en plastique conserve-t-il mieux au frais une bouteille qu'un seau en acier ayant les mêmes dimensions? Niveau 1 (énoncé détaillé) 1. a. On considère le système constitué de l'eau froide. Avec quoi ce système est-il en contact? 2. b. Quels sont les modes de transfert thermique entre ce système et l'extérieur? 3. a. Calculer la résistance thermique du sac en plastique. b. Comparer les résistances thermiques du sac en plastique et du sceau en acier. c. Le sac en plastique conserve-t-il mieux au frais une bouteille qu'un seau en acier ayant les mêmes dimensions? 1. a. L eau est en contact avec l air et avec le sac plastique. b. Il y a transfert thermique par conduction entre l eau froide et le sac plastique ainsi qu entre l eau froide et l air. Il y a aussi un transfert thermique par rayonnement entre l eau froide et le milieu extérieur, mais le texte indique qu il est négligeable. 2. a. Les températures des faces intérieure et extérieure du sac plastique sont de 22 C et 2 C. R th_plastique = T e T i = 22-2 = 1 x 10-1 K.W -1. ϕ 200 b. La résistance thermique du sac en plastique est bien plus grande que celle du seau en acier. c. Le sac plastique s oppose bien mieux au transfert thermique que le seau en acier. Un sac plastique conserve plus longtemps une bouteille au frais qu un seau en acier de mêmes dimensions.

5 Thème2 : Comprendre. Lois et modèles. Energie et développement durable P : 5 N 28 p : 368. Coup de chaud au bureau Compétences : Mobiliser ses connaissances; raisonner. L'amélioration des performances des processeurs d'ordinateur repose notamment sur l'augmentation du nombre de composants électroniques qu'ils contiennent. Si dans les années soixante-dix ces composants se comptaient par milliers, dans les années 2010, ils se comptent en milliards grâce une miniaturisation de plus en plus poussée. Par effet Joule, un processeur peut chauffer bien plus qu'un fer à repasser! Un radiateur à ailettes, en contact avec le processeur, associé à un ventilateur, est nécessaire pour éviter la détérioration du processeur. 1. Expliquer comment un radiateur à ailettes permet de refroidir un processeur. 2. Pourquoi le refroidissement est-il plus efficace quand la surface des ailettes est importante et quand un ventilateur est associé au radiateur? 3.Certains constructeurs testent des modèles de processeurs à l'intérieur desquels de l'eau peut circuler. Justifier ce choix. 1. Le processeur étant en contact avec les ailettes, il leur transfère de l énergie par conduction thermique. Son énergie interne et sa température diminuent (celles des ailettes augmentent). À leur tour, les ailettes transfèrent de l énergie par conduction à l air qui est en contact avec elles. 2. Le flux thermique est d autant plus élevé que la surface de contact entre les deux corps est grande, d où un refroidissement plus efficace. Associer un ventilateur au radiateur permet de transférer l énergie des ailettes à l air par conduction et améliore sensiblement la convection (en renouvelant l air), d où un refroidissement plus efficace. 3. L eau est un meilleur conducteur thermique que l air ; de plus, on peut refroidir le processeur par l intérieur et non juste par les surfaces externes. N 29 p : Un isolant, la laine de verre Compétences : Calculer; extraire des informations; exploiter une relation. On peut utiliser de la laine de verre pour isoler la toiture d'une maison. Plusieurs épaisseurs sont proposées par les fabricants. Paul et Olivia décident de déterminer la résistance thermique R thl d'une surface S 1 = 1,0 m 2 d'une laine de verre 1 d'épaisseur e l = 60 mm et la résistance thermique R th2 d'une surface S 2 = 1,5 m 2 d'une laine de verre 2 d'épaisseur e 2 = 240 mm. Paul mesure un flux thermique de 10 W lorsque la différence de température entre les deux faces de la laine de verre 1 est de 15 C. Olivia soumet l'une des faces de la laine de verre 2 à une température T A = 10 C et l'autre face à une température T B = 30 C. Elle mesure une énergie transférée de 36 kj à travers la laine de verre 2 pendant une durée de 2,0 h. 1. Calculer la résistance thermique R thl de la laine de verre Calculer la résistance thermique R th2 de la laine de verre 2. Lorsqu'on parle d'isolation thermique, on indique souvent la valeur de la conductivité thermique λ, d'un matériau. Cette grandeur est liée à la résistance thermique d'une paroi plane de surface S et d'épaisseur e par : avec e en m, Sen m 2 et R th en C.W a. Quelle est l'unité de la conductivité thermique? b. Calculer les conductivités thermiques respectives λ 1 et λ 2 des laines de verre 1 et Pourquoi la conductivité thermique caractérise-t-elle un matériau? 5. Exprimer le flux thermique traversant une paroi en fonction de X, S, e et de l'écart de température entre les faces. 6. Comment le flux thermique évolue-t-il lorsque l'on double la surface S de laine de verre? 7. Comment le flux thermique évolue-t-il lorsque l'on double l'épaisseur e de laine de verre? 8. Quels conseils peut-on donner à un particulier faisant construire sa maison afin de limiter les pertes d'énergie par la toiture? Donnée : Flux thermique ϕ = Q = T 1 T 2 1. La résistance thermique se calcule à partir du flux thermique et de l écart de température : R th1 = T = 15 = 1,5 K.W -1. ϕ Pour la laine de verre 2, il faut utiliser l énergie transférée : ϕ 2 = Q = T B T A d où R th2 = t. T B T A = 2,0x3600 x(30-10) 2 Q R th2 = 4,0 K W a. Par étude des unités des grandeurs de la relation, on trouve λ en W m 1 C 1 ou W m 1 K 1. b. AN : λ 1 = e 1 = 60 x 10-3 = 4, W m 1 K 1 ; λ 2 = e 2 = 240 x 10-3 = 4, W m 1 K 1 S 1. R th1 4,0x1,5 S 2. R th2 4,0x1,5 4. La conductivité thermique est indépendante de l épaisseur du matériau. Sa valeur caractérise les propriétés d un matériau à faciliter les transferts thermiques. 5. Le flux thermique s exprime par : ϕ = λ.s. T e 6. Lorsqu on double la surface de laine de verre,le flux thermique double. 7. Lorsqu on double l épaisseur de laine de verre, le flux thermique est divisé par deux. 8. Les pertes d énergie sont d autant plus grandes que le flux thermique est élevé. Pour limiter les pertes d énergie par la toiture, il faut limiter sa surface et augmenter l épaisseur de laine de verre. N 30 p : 369. Identifier des transferts d'énergie Compétences : Raisonner; argumenter; calculer. Joachim a oublié, en plein soleil, sa canette de soda qui sortait du réfrigérateur à la température de 5 C. La température ambiante est de 25 C. Après environ une heure, la température de la canette se stabilise à 36 C. 1. Décrire les différents transferts d'énergie subis par la boisson au cours de son réchauffement. 2. Lorsque la température est stabilisée, les transferts ont-ils cessés? Justifier. 3. La canette est en aluminium, sa masse est m Al = 14 g. Les 300 ml de boisson qu'elle contient peuvent être assimilés à de l'eau. Calculer la variation d'énergie interne de la canette et du liquide entre sa sortie du réfrigérateur et la stabilisation de sa température. Données : C eau = 4,18 x 10 3 J. K -1. kg -1 ; C Al = 897 J. K -1.kg -1 ; ρ eau = 1,00 kg. L On considère le système {canette + boisson}. Il reçoit de l énergie sous forme de transfert thermique, puisque sa température augmente, par rayonnement et par conduction. 2. Si la température ne varie plus, on peut seulement affirmer que la variation d énergie interne du système est nulle. La température du système est plus grande que celle de l extérieur ; il y a donc un transfert thermique du système vers l extérieur. Ce transfert thermique est compensé par rayonnement. 3. La masse de boisson contenue dans la canette est : m eau = ρ eau V eau La variation d énergie interne du système {canette + boisson} s écrit : U = Q = m Al c Al T Al + m eau c eau T eau = 39 kj.

6 Thème2 : Comprendre. Lois et modèles. Energie et développement durable P : 6 N 31 p : 369 CD Stop! Compétences : Raisonner; calculer. Une voiture de masse m = kg roule à 130 km.h -1. Le conducteur freine brutalement pour éviter un obstacle. La voiture s'arrête au bout de 145 m. Ce freinage provoque un fort échauffement des freins. 1. Quelle est la conversion d'énergie qui se produit ors du freinage? 2. Quelle est la valeur de l'énergie transférée au niveau du système de freinage en négligeant tous les autres transferts? 3. Si toute cette énergie était transférée à une masse m = 5,0 kg d'eau, quelle serait l'élévation de température de cette eau? Données : C eau = 4,18 x 10 3 J kg -1. K -1 ; ρ eau = 1,00 kg. L Il y a une conversion de l énergie cinétique en énergie thermique par le biais du travail dû aux frottements des plaquettes de frein sur les disques de frein. 2. L énergie transmise est l énergie cinétique de la voiture : Ec = 7,5 x 10 5 J. 3. On utilise la relation qui lie la variation de température et la variation d énergie interne de l eau : U = m c eau T = Ec soit T = 36 C. Il y a donc une élévation de la température de l eau de 36 C. Ch.14. POUR ALLER PLUS LOIN. N 32 p : 369. Récupérer de l'énergie gratuite dans la nature Compétences : Mobiliser ses connaissances; faire preuve d'esprit critique. L'installation de pompes à chaleur (PAC) pour chauffer des habitations individuelles ou collectives est encouragée par l'ademe (Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie). Ce type de machine thermique permet d'exploiter l'énergie thermique de l'air environnant (aérothermie), du sous-sol (géothermie) ou de nappes d'eau souterraines (hydrothermie). On souhaite chauffer, à l'aide d'une pompe à chaleur aérothermique, une habitation qui, en trois heures, perd 874 J par transfert thermique avec l'extérieur. Au cours d'un cycle de fonctionnement, la pompe à chaleur est alimentée par le biais d'une prise de courant et reçoit un travail W. L'air extérieur est à la température T ext, la pompe à chaleur y puise une énergie thermique Q ext. L'intérieur de l'habitation, que l'on souhaite maintenir à la température T int, reçoit de la part de la pompe à chaleur un transfert thermique Q int. 1. Pour le système {pompe à chaleur), établir le bilan énergétique durant un cycle de fonctionnement. 2.Le coefficient de performance (COP) de la pompe à chaleur est défini comme la valeur absolue du rapport de la puissance thermique fournie par la machine et de la puissance électrique nécessaire à son alimentation. Exprimer le coefficient de performance de la pompe à chaleur en fonction des différentes grandeurs apparues dans le bilan énergétique. 3. Quelle énergie électrique consomme une pompe à chaleur dont le coefficient de performance vaut 4 lors du chauffage pendant 3 heures de l'habitation décrite? 4. Pourquoi l'ademe encourage-t-elle l'installation de pompes à chaleur? 1. Durant un cycle de fonctionnement, le système PAC : reçoit un travail électrique W qui est compté positivement ; reçoit, de la part de l extérieur, le transfert thermique Q ext qui est compté positivement ; fournit, à l intérieur de l habitation, un transfert thermique Q int qui est compté négativement. 2. Par définition, et puisque la relation puissance énergie s écrit = E / t, le coefficient de performance de la pompe à chaleur s exprime par : COP = - Q int. t = - Q int qui est bien positif puisque Q int < 0 et W > 0. t.w t 3. On cherche la valeur de W : W = Q int Or, pour chauffer cette habitation et la maintenir à T int, il faut compenser les pertes COP thermiques qui ont été évaluées à Q pertes = 874 kj pour le système habitation pendant 3 heures. Il faut donc que Q int = Q pertes. Il vient donc : W = Q pertes = kj. COP 4 Pour maintenir la température intérieure à Tint pendant 3 heures, cette PAC consomme environ 2,2 x 10 2 kj. 4. Un COP supérieur à 1 montre que l on récupère plus d énergie (ici Qint en valeur absolue) que ce que l on consomme pour faire fonctionner la machine. Grâce à l énergie gratuite fournie par l air extérieur, ce genre de machine permet de réaliser des économies d énergie. Ch.14. N 33 p : 370. SVT. Convection in Earth's mentie Compétences : Extraire des informations. Contained fluids heated from below spontaneously organize into convection cells when sufficiently far from conductive equilibrium.[...] At mande conditions rocks are generally treated as fluids. [...] Mande convection is quite different from the usual pot-on-a-stove metaphor. [...] The missing element in laboratory and kitchen experiments, and most computer simulations, is pressure. The mande is heated from within, cooled from above. [...] All of these effects drive convective motions. Extrait de Donnée : Vocabulaire : stove : cuisinière. 1. Quels sont les différents modes de transfert thermique? 2. Lequel de ces modes est principalement mis en jeu dans le cas d'une casserole pleine d'eau chauffée et dans celui du manteau terrestre? 3. Quel phénomène physique est à l'origine du chauffage interne des roches mantelliques? 4. Le modèle du fluide chauffé dans une casserole est-il adapté à la description des transferts thermiques dans le manteau terrestre? Traduction du texte : «Des fluides chauffés par le bas du récipient et loin des conditions d équilibre de la conduction s organisent en cellules de convection. Dans les conditions du manteau terrestre, les roches sont généralement considérées comme des fluides. La convection mantellique est assez différente de la métaphore habituelle du pot posé sur une cuisinière. Le paramètre manquant dans les expériences de laboratoire et à la cuisine, dans la plupart des simulations informatiques, est la pression. Le manteau est chauffé par l intérieur, se refroidit par-dessus et latéralement. Tous ces effets sont le moteur des mouvements de convection.» 1.Les trois modes de transfert thermique sont la conduction thermique, la convection thermique et le rayonnement. 2.C est la convection thermique qui est principalement mise en jeu au sein d un fluide dans une casserole et au sein du manteau terrestre. 3.La décroissance radioactive est responsable du chauffage interne des roches mantelliques. 4.Le modèle du fluide chauffé dans une casserole est trop simpliste. Si on retrouve bien le gradient de température à l origine du mouvement de convection, il faut aussi tenir compte de la pression (facteur très important).

7 Thème2 : Comprendre. Lois et modèles. Energie et développement durable P : 7 Ch.14. N 34 p : 370. Que calor! Compétences : Mobiliser ses connaissances; raisonner; faire preuve d'esprit critique. La calorimétrie est l'ensemble des techniques de mesure de transferts thermiques. Elle permet de déterminer des énergies de changement d'état et des capacités thermiques. Un calorimètre à vase de Dewar est un récipient métallique muni d'un couvercle et d'un système d'agitation, dans lequel est placé un vase à double paroi dont les parois sont en verre, argentées et séparées par du vide. Ce vase est appelé vase de Dewar. On peut considérer que le contenu du vase est thermiquement isolé de l'extérieur. Dans le but de déterminer la capacité thermique massique c 2 du cuivre solide, on place dans un calorimètre une masse m 1 = 80,1 g d'eau liquide. À l'équilibre thermique, la température à l'intérieur du calorimètre est T 1 = 16,4 C. Dans une étuve, on chauffe un bloc de cuivre solide de masse m 2 = 62,3 g, sa température est T 2 = 75,0 C. Très rapidement, on place ce bloc dans l'eau du calorimètre que l'on referme. Quand le nouvel état d'équilibre thermique est atteint, la température à l'intérieur du calorimètre est T f = 20,4 C. 1. Justifier la phrase du texte en italique. 2. Exprimer la variation d'énergie interne du système {cuivre} en fonction des températures. 3. Établir le bilan énergétique pour ce système. Quel est le signe des différentes grandeurs qui y apparaissent? 4. En déduire l'expression de la capacité thermique massique c 2 du cuivre et la calculer. On notera Ccai la capacité thermique du calorimètre et de ses accessoires (agitateur, thermomètre, etc.). 5. La valeur de c 2 lue dans les tables thermodynamiques est 0,390 J. g -1. C -1. Identifier toutes les sources d'erreur lors de sa détermination. Comment améliorer le résultat? Données : pour l'eau liquide c l = 4,18 J. g -1. C -1 ; pour le calorimètre et ses accessoires C cal = 8,5 J. C Les transferts thermiques par conduction et convection sont limités par le vide entre les parois ; le couvercle limite aussi la convection. Le rayonnement est limité grâce aux surfaces argentées réfléchissantes. 2. La variation d énergie interne du système {cuivre} s écrit : U = m 2 c 2 (T f T 2 ) Remarque : le bilan devrait être enthalpique et non en énergie interne, l évolution se fait à pression constante et non à volume constant ; mais pour des phases condensées, il y a en général peu d écart entre les variations d énergie interne et celles d enthalpie du système. 3. Ce système n échange aucun travail (W = 0), mais il échange de l énergie thermique : Q a avec l eau initialement froide, négative, car cédée par le cuivre (corps chaud) à l eau (corps froid) ; Q b avec le calorimètre, négative, car cédée par le cuivre (corps chaud) au calorimètre (corps froid). 4. D après ce qui précède, la variation d énergie interne du cuivre solide est donc : U = m 2 c 2 (T f T 2 ) = Q a + Q b soit m 2 c 2 (T f T 2 ) = m 1 c 1 (T f T 2 ) C cal (T f T 2 ). Il vient : c 2 = - m 1. c 1 + C cal (T f T 2 ) m 2 (T f T 2 ) c 2 = - (80,1 x 4,19 + 8,5) x (2,4 16,4) c 2 0,404 J g -1 C. 62,3 x (20,4 75,0) 5. Les sources d erreur systématique sont dues à l opérateur, au calorimètre (isolation thermique non parfaite, incertitude sur la valeur de C cal ), au thermomètre (mesures de T), à la balance (mesures de m) et à l incertitude sur c 1. Pour améliorer le résultat, il faut répéter plusieurs fois la mesure (par exemple, tenir compte des mesures de tous les binômes en TP), utiliser des balances et thermomètres de précision, un calorimètre très bien isolé. BAC. Ch.14. N 35 p : Centrale électronucléai re En France, en 2011, environ 75 % de la production d'électricité est réalisée dans des centrales électronucléaires. L'énorme énergie libérée par la fission de l'uranium 235 ne peut techniquement pas être entièrement convertie en énergie électrique. Pour évacuer l'énergie non convertie, la centrale doit être équipée d'un circuit d'eau de refroidissement. Les centrales électronucléaires sont donc construites à proximité de rivières, fleuves, mers ou océans. Ce circuit de refroidissement est un élément crucial pour la sécurité, car, s'il n'est plus alimenté en eau, la température peut augmenter jusqu'à la fusion du cœur du réacteur. C'est ce qui s'est passé lors de l'accident nucléaire de Fukushima en mars Le fonctionnement d'une centrale électronucléaire est modélisé par la chaîne énergétique suivante : COMPÉTENCES : Mobiliser ses connaissances ; raisonner; calculer. Le cœur du réacteur fournit à la centrale une énergie thermique Q. L'eau du circuit de refroidissement est à la température initiale T = 16 C et la centrale lui fournit une énergie thermique Q'. Le travail électrique fourni par la centrale au réseau électrique est noté W. Le rendement de conversion de la centrale vaut 33 %. 1. Établir le bilan énergétique de la centrale en précisant le signe des grandeurs qui interviennent. 2. Comment se traduit la conservation de l'énergie lors du fonctionnement de cette centrale? 3. Définir le rendement de conversion p de cette centrale électronucléaire. 4. Déduire de ce qui précède l'expression du transfert thermique entre la centrale et l'eau du circuit de refroidissement en fonction de W et p. 5. Quelle est la conséquence pour l'eau du circuit de refroidissement de ce transfert thermique? 1. Le système {centrale} échange avec l extérieur : un travail électrique W, compté négativement, car fourni à l extérieur par la centrale ; un transfert thermique Q, compté positivement, car fourni à la centrale par l extérieur (cœur du réacteur) ; un transfert thermique Q, compté négativement, car fourni à l extérieur (circuit de refroidissement) par la centrale. 2. D après la conservation de l énergie pour ce système, l énergie reçue par la centrale est égale à l énergie fournie par la centrale : Q = W Q (puisque W < 0 et Q < 0). 3. Le rendement de conversion de la centrale est le rapport de l énergie exploitable en sortie de chaîne et de l énergie utilisée en entrée de chaîne : ρ = -W / Q (puisque W < 0). 4. En combinant les deux relations précédentes, il vient : Q = - W - Q = - W + W = W (1-1) ρ ρ 5. L eau du circuit de refroidissement reçoit le transfert thermique ( Q ) > 0, donc son énergie interne et sa température vont augmenter. 6. a. En 600 s, la masse d eau qui va circuler au contact de la centrale est : m = 4,2 x 10 4 x 600 = 2,52 x 10 7 kg. b. Pour l eau liquide, transfert thermique et variation de température sont liés par : Q = m c T d où 5,4 x x (1 0,33) 0,33 d où : T = - = 10,4 K. La température de l eau s élève d environ 10 C lors du fonctionnement de la centrale. 2,52 x 10 7 x 4,18 x L étude montre que plus le débit de l eau est important, moins la variation de température est élevée.