QCM N° 16 Transferts thermiques

QCM. N° 16

Transferts thermiques

QCM N° 08 Transferts thermiques Le transfert thermique La température terrestre moyenne La loi de Newton AIDE Pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).
	Énoncé	A	B	C	R
1	Dans un fluide, le transfert thermique a lieu principalement par :	Convection	Conduction	Travail	A
2	Les trois modes de transfert thermique entre un système et le milieu extérieur :	Peuvent avoir lieu simultanément	Nécessitent tous un milieu matériel	Contribuent à la variation d’énergie interne du système	AC
3	Q étant le transfert thermique échangé par le système {air intérieur}, le flux thermique Φ est :	Négatif	Positif	Nul	A
4	Plus la résistance thermique R_th du matériau constituant la cloison de la question 3 est grande :	Plus la cloison favorise le transfert thermique	Plus le flux thermique traversant la cloison est petit, (T₂ – T₁) étant fixé.	Plus le flux thermique traversant la cloison est grand, (T₂ – T₁) étant fixé.	B
5	Pour déterminer la température terrestre moyenne, il est nécessaire :	D’utiliser la loi de Stefan-Boltzmann	D’utiliser le premier principe de la thermodynamique	De considérer la Terre comme un corps noir	ABC
6	Si l’albédo de la Terre augmente :	La puissance renvoyée par la Terre augmente	La puissance absorbée par la Terre augmente	La température terrestre augmente	A
7	Une photographie illustrant l’effet de serre est :				A
8	La loi de Newton s’écrit Φ = h . S . (θ_e – θ), avec h le coefficient d’échange convectif et S la surface d’échange entre le système à la température θ et l’extérieur à la température θ_e. Elle s’applique pour :	la convection entre un système incompressible et le milieu extérieur, l’un des deux étant fluide	la conduction entre un système incompressible et le milieu extérieur, l’un des deux étant fluide	Tous les transferts thermiques entre un système incompressible et le milieu extérieur, l’un des deux étant fluide	A
9	Dans la loi de Newton, Φ = h . S . (θ_e – θ), le flux convectif est :	Reçu par le système si θ > θ_e	Proportionnel à θ	Cédé par le système si θ > θ_e	C
10	L’équation différentielle a pour solution :				B

QCM réalisé avec le logiciel Questy

Pour s’auto-évaluer

Les modes de transfert thermique :

- La conduction thermique, la convection thermique et le rayonnement thermique.

- La conduction thermique :

- L'agitation thermique se transmet de proche en proche de la région chaude vers la région froide sans transport de matière.

conduction thermique

- La conduction se produit principalement dans les solides

- La convection thermique :

- Dans les fluides, le transfert de chaleur se fait grâce aux courants de convection.

- Exemple :

- L’agitation thermique se transmet de proche en proche dans le fluide avec déplacement d’ensemble de celui-ci : des courants de fluide circulent.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/08/Convection.gif

- La convection se produit principalement dans les fluides (liquides et gaz).

- Le rayonnement thermique :

- Tout corps chaud émet des radiations électromagnétiques qui transportent de l'énergie.

- Le rayonnement ne nécessite pas de milieu matériel, il s’effectue même dans le vide.

rayonnement thermique

- Le rayonnement thermique se produit dans tout milieu et même dans le vide.

- L’absorption et l’émission d’ondes électromagnétiques par la matière en modifient l’agitation thermique.

Le flux thermique :

- Le flux thermique Φ (phi majuscule) caractérise la vitesse du transfert thermique Q pendant une durée Δt au sein d’un système ou entre différents systèmes.

- Le flux thermique Φ traversant ce matériau est alors défini par la relation :

Énergie thermique transférée : Q en joule (J)

Durée : Δt ne seconde (s)

Flux thermique : Φ en watt : (J . s^–1 = W)

- Le flux thermique a la dimension d’une puissance : c’est une énergie par unité de temps.

- Le flux thermique est l’énergie transférée à travers une paroi par unité de temps.

- Ce transfert se fait spontanément de la source chaude vers la source froide.

flux thermique

- Par convention, le flux thermique est compté :

- Positivement s’il est reçu par le système S (;

- Négativement s’il est cédé par le système S.

Résistance thermique :

- La résistance thermique R_th caractérise l’opposition d’un milieu au transfert thermique entre deux points A et B.

- On considère le système S de résistance thermique R_th :

- On oriente le flux thermique du point A vers le point B.

- Si l’écart de température T_A – T_B est maintenu constant, le flux thermique est donné par la relation suivante :

Résistance thermique

Températures absolues : T_A et T_B en kelvin (K)

Ou températures θ_A et θ_B en degré Celsius (° C)

Résistance thermique : R_th

Unité : (K . W^–1) ou (° C . W^–1).

Flux thermique : Φ en watt : (J . s^–1 = W)

- Plus la résistance thermique du matériau est élevée, plus le flux thermique est faible à travers le matériau.

- Ce dernier empêche le transfert d’énergie à travers lui ; c’est de ce fait un bon isolant thermique.

- Un matériau qui a une résistance thermique élevée est un bon isolant thermique.

La température terrestre moyenne :

- La température moyenne de la surface de la Terre, conséquence des transferts d’énergie entre la Terre,

son atmosphère et l’extérieur, peut être déterminée à l’aide d’un bilan d’énergie du système

{Terre et atmosphère} et du premier principe de la thermodynamique.

-

Le corps noir :

- Un corps noir est un objet théorique qui absorbe intégralement le rayonnement électromagnétique qu’il reçoit.

- Sous l’effet de l’agitation thermique induite, ce corps émet alors un rayonnement électromagnétique qui ne dépend que de sa température.

- La loi de Stefan-Boltzmann permet de relier cette température T (K) au flux thermique surfacique rayonné φ_E ou à la puissance thermique surfacique p.

φ_E = σ . T⁴ ou p = σ . T⁴

φ_E : Flux thermique surfacique rayonné (W . m^–2)

p : Puissance thermique surfacique (W . m^–2)

σ : Constante de Stefan-Boltzmann ((W . m^–2 . K^–4)

σ = 5,67 ×10^–8 W . m^–2 . K^–4

T : Température du corps noir (K )

- Remarque : p est comptée ici positivement.

L’Albédo :

- L’Albédo est le pouvoir réfléchissant d’une surface.

- L’albédo α est une grandeur sans unité qui caractérise l’aptitude d’une surface à renvoyer, par diffusion et / ou réflexion, le rayonnement qui lui parvient.

- Sa valeur est comprise entre 0 et 1.

- Considérons un système S qui reçoit un rayonnement électromagnétique bien déterminé :

- On peut prendre comme exemple le rayonnement solaire.

- Le système S reçoit le flux thermique surfacique φ_T ou p_T (puissance surfacique) reçu du Soleil ;

- Une partie du rayonnement solaire reçu est réfléchi et / ou diffusé, φ_R ou p_R par le système S

- Schéma de la situation :

- Relation :

L’Albédo

α : Albédo : grandeur sans unité comprise entre 0 et 1

φ_T : Flux thermique surfacique rayonné reçu (W . m^–2)

p_T : Puissance thermique surfacique rayonnée reçue (W . m^–2)

φ_R : Flux thermique surfacique diffusé et / ou réfléchi (W . m^–2)

p_R : Puissance thermique surfacique diffusée et / ou réfléchie (W . m^–2)

La loi de Newton :

- Le système S est incompressible et il est en contact avec le milieu extérieur,

- Mais il n’échange pas de matière avec le milieu extérieur.

- Le but est de modéliser l’évolution de la température du système S.

- Schéma :

loi de Newton

- Considérons que le mode principal de transfert thermique est la convection dans le fluide.

- Dans ce cas, on peut utiliser la loi de Newton :

- Elle modélise le flux thermique convectif Φ à partir d’observations expérimentales :

- Elle relie le flux thermique convectif Φ et la différence de température (T_e – T) :

- Le système dont la surface d’échange S avec le milieu extérieur a pour température T supposée uniforme ;

- Le milieu extérieur de température T_e constante, appelé thermostat :

- Relation dans le cas envisagé :

Φ = h . S . (T_e – T) ou Φ = h . S . (θ_e – θ)

Φ : Flux thermique convectif en watt (W)

h : Coefficient d’échange convectif

(W . m^–2 . K^–1) ou (W . m^–2 . ° C^–1)

S : Surface d’échange (m²)

T_e : Température du milieu extérieur (K)

T : Température du système (K)

θ_e : Température du milieu extérieur (° C)

θ : Température du système (° C)

- Le coefficient d’échange convectif h, entre le système incompressible et le milieu extérieur, d’un des deux étant fluide, dépend de la nature du fluide.

Équation différentielle :

- Écriture de l’équation différentielle :

- (1)

- Elle admet une solution du type :

-

- A, B et k sont des constantes liées aux conditions initiales et aux caractéristiques du système.

- Autre formulation :

-

- Elle admet une solution du type

-