Flux thermique

FICHE 1
PRÉSENTATION
|Titre |Isoler une maison...une question de physique ? |
|Type |Activité documentaire |
|d'activité | |
|Objectifs de | |
|l'activité |Introduction des notions de flux thermique et de résistance |
| |thermique |
|Références par| |
|rapport au |Cette activité illustre le thème |
|programme |Comprendre / Lois et modèles |
| |et le sous thème |
| |énergie, matière et rayonnement |
| |Transfert d'énergie entre systèmes macroscopiques : |
| | |
| |en classe de Terminale |
| |S |
| |Notions et contenus |Compétences exigibles |
| | | |
| |flux thermique. Résistance |Exploiter la relation entre |
| |thermique |le flux thermique à travers |
| | |une paroi plane et l'écart de|
| | |température entre ses deux |
| | |faces. |
|Conditions de |Prérequis : transferts thermiques : conduction, convection,|
|mise en ?uvre |rayonnement |
| | |
| |Durée : 2 heures |
| | |
| |Contraintes matérielles : vidéoprojecteur / liste matériel |
| |dans la fiche 2 |
|Remarques | |
|Auteur |BERNARD |Académie de LYON |
FICHE 2
LISTE DU MATÉRIEL
- éventuellement accès internet
- Vidéoprojecteur
- Trois cristallisoirs
- Eau
- Trois thermomètres électroniques
- Chiffon
- Échantillons de matériaux isolants.
- Plaque métallique
- Plaque de bois
FICHE 3 Fiche pour le professeur
I. Etude des documents 1 et 2 : 1) D'après les documents présentés, préciser les modes de transferts
d'énergie mis en jeu lors des déperditions énergétiques dans une
maison non isolée.
Essentiellement de la conduction. C'est le mode de transfert qui apparaît
toujours dans un fluide ou un solide dès qu'il y a un gradient de
température. Il s'agit d'un transfert thermique de proche en proche par
chocs microscopiques entre particules d'énergie différente, les particules
les plus énergétiques transmettant de l'énergie cinétique à celles qui en
ont moins
2) Activité expérimentale :
On dispose de trois cristallisoirs, l'un contient de l'eau froide, le
deuxième contient de l'eau tiède et le troisième de l'eau chaude. Un élève
trempe la main gauche dans l'eau froide et la main droite dans l'eau chaude
pendant une minute environ. Puis il trempe ses deux mains dans le
cristallisoir d'eau tiède. a) Noter ses observations : Une main indique une eau froide et l'autre
que cette eau est chaude.
b) Interpréter les résultats :
- Dans quel sens se réalise un transfert énergétique ? Nous percevons
les échanges d'énergie et non la température...les transferts
thermiques s'effectuent du corps chaud vers le corps froid.
Quelque chose vous parait chaud quand il est plus chaud que nos mains.
Et plus froid sinon.
- Quand le transfert cesse t'il ? Le transfert cesse lorsque les
deux corps sont en équilibre thermique.
Si nécessaire : Le corps chaud et le corps froid sont en contact. Les
molécules du corps chaud sont plus agitées, et elles se cognent aux
molécules du corps froid qui commencent à bouger plus vite, alors que
celles de l'objet chaud sont ralenties. On dit que l'objet chaud transfère
de l'énergie thermique au froid. Les deux corps, en s'échangeant de
l' énergie changent de température.
3) Les échanges énergétiques dans une maison se déroulent ils dans le
sens décrit à la question 2) ?
Doc1 : « Les besoins en chauffage sont diminués et votre facture allégée.
En été, l'isolation fait barrière à la chaleur et au rayonnement solaire
extérieur. »
Doc2 : « Cette couche agit comme un bouclier invisible pour empêcher en
hiver la chaleur intérieure de fuir à l'extérieur »
Donc les transferts sont réalisés dans le sens établi à la question 2). II. Etude du document 3 : 1) Qu'est ce qu'un isolant thermique ?
Un isolant est un matériau qui limite les échanges d'énergie entre deux
systèmes.
2) Expérience de pensée :
Imaginez deux morceaux l'un de métal et l'autre de bois dans la
même pièce depuis longtemps : ils sont à la même température.
- L'un des matériaux vous paraît il plus froid que l'autre au toucher ?
Le métal semble plus froid que le bois.
- Proposez une interprétation
Le métal est un meilleur conducteur thermique donc il nous prend plus
d'énergie thermique que le bois. Le morceau de bois est à la même
température, mais c'est un mauvais conducteur thermique.
Si nécessaire réaliser la manipulation
3) Exprimer la résistance thermique en fonction de l'épaisseur du
matériau et de sa conductivité thermique.
Épaisseur de différents matériaux pour une même résistance thermique
Définition de la résistance thermique « intrinsèque » d'un matériau dans le
domaine du bâtiment : c'est-à-dire en ne tenant pas compte de la surface
exposée.
[pic] où : e est l'épaisseur en m ; ? est la conductivité thermique en W
K-1 m-1
. R est la résistance thermique intrinsèque en m2.K.W -1
NB : La résistance thermique des matériaux est utilisée dans les
règlementations thermiques (RT 2012 en France).
4) Comment isoler un mur ?
On isole un mur « paroi plane » en superposant les couches d'isolants de
l'intérieur ou par l'extérieur ....tout en laissant une circulation d'air
(béton cellulaire, laine, chanvre....) 5) En déduire une propriété des résistances thermiques. Les résistances thermiques s'additionnent lorsque les isolants sont
associés (en série...faire le lien avec l'électricité) III. Institutionnalisation des recherches :
Conditions d'étude :
Soit un milieu conducteur de chaleur (de coefficient de diffusion
thermique ? ) ne dépendant que d'une seule variable d'espace et dont la
température en deux points ( x=0 et x=L ) est imposée (respectivement à
T?0? et T?L? ) ; le tout en régime indépendant du temps.
Flux thermique : Le flux thermique est par définition la quantité d'énergie thermique qui
traverse une surface isotherme par unité de temps :
[pic] unité : le Watt
Résistance thermique :
[pic] R en K·W-1
... faire une remarque par rapport aux résistances utilisées dans les BTP
donc aux unités. Pour une même différence de température plus la résistance thermique est
forte moins la quantité d'énergie thermique traversant le corps est forte.
Un isolant thermique est donc un corps qui possède une résistance thermique
de conduction importante.
La résistance thermique est définie par rapport à des surfaces isothermes.
La géométrie de ces surfaces dépend de la géométrie de l'objet dans lequel
la conduction thermique se produit. Cas particulier d'une paroi plane :
Les isothermes sont des surfaces planes et parallèles (cas d'un mur de
maison).
La résistance thermique R d'un élément d'épaisseur e (en m), de surface S
(en m2), et de conductivité thermique ? [ ](en W·m-1·K-1) vaut : [pic]
NB : Cette formule néglige les effets de bord en supposant que les
dimensions (longueur, largeur) de l'élément sont très grandes devant son
épaisseur (L >> e et l >> e) . On suppose aussi que les matériaux
constituant l'élément sont isotropes, c'est-à-dire que leur comportement
thermique est le même quelle que soit la direction. L'élément peut être
constitué de différents matériaux isotropes (ou considéré comme tel), par
exemple un mur en brique recouvert d'un enduit à l'extérieur et d'un
isolant à l'intérieur.
Analogies :
| |Électricité |thermique |
|cause |?U : différence de potentiel en|?T : différence de |
| |V (cause) |température en K |
|Effet |I : intensité du courant |?: flux thermique en W |
| |électrique en A | |
|Résistance|électrique R : en ohm |thermique R : en K.W-1 |
|loi |d'ohm : ?U = RI |de Fourier : ?T = ? R | Prévoir pour les séances suivantes : - Une recherche des différents isolants et de leur R.
- Des exercices d'application (calcul de R, application dans le bâtiment
et comparaison de solutions isolantes)
Références :
http://www.e-scio.net/thermo/agit.php3
http://www.ademe.fr/particuliers/fiches/pdf/isolation.pdf
http://www.tour-energie.fr
http://www.bretagne-energie.fr/
http://fr.wikipedia.org
physique spé PC PC* chez Tec et doc par S. Olivier, H. Gié, JP Sarmant
FICHE 4 Fiche ÉlÈve Isoler une maison...une question de physique ?
Act