TS-TP P09 Résistance thermique d`un thermos

TS
www.pichegru.net
2015
TP P9 : Détermination d’une résistance thermique
Une bouteille isotherme permet de conserver un liquide à
une température proche de sa température initiale. Elle est
considérée
en
thermodynamique
comme
une
approximation d'un système isolé.
Travail demandé
Élaboration d’un protocole (Analyser)
Rédiger un protocole qui vous permettra d’obtenir la courbe montrant la
variation d’énergie interne de l’eau chaude contenue dans la bouteille
isotherme en fonction du temps.
Pour être efficace, une bouteille isotherme doit prendre en
compte les pertes d’énergie thermique :
• Peser une certaine quantité d’eau chaude._____________________
• Par conduction thermique : suivant le principe du vase
de Dewar, la bouteille est emprisonnée dans une autre
bouteille, avec un minimum de contacts ;
• Verser cette eau chaude dans le récipient. Le boucher. __________
• On mesure la température de l’eau au cours du temps. __________
• Par convection : les deux bouteilles encastrées sont
séparées par du vide ;
• Grâce à la relation ∆U = m·cm·∆
∆Tc , on calcule la variation ∆U à
chaque instant et tracer le graphique correspondant. _____________
• Par rayonnement électromagnétique : la paroi de la bouteille
intérieure est réfléchissante.
Expérience (Réaliser)
Objectif :
Déterminer la résistance thermique de votre bouteille
isotherme
On obtient un graphique qui a l’allure ci-dessous (en bleu).
∆U
t
Réaliser l’expérience et tracer ce graphique.
Document : Rappels sur les grandeurs étudiées
• Le flux thermique Pth est la puissance thermique échangée entre
l’objet chaud et l’objet froid.
Pth = ∆Text / Rth
Pth = |∆U | / ∆t
Rth est la résistance thermique en K·W-1
∆Text est la différence de température entre le corps chaud et le corps
froid.
∆U est la variation d’énergie interne du corps chaud due à sa baisse de
température, en J.
∆t est la durée associée à la perte d’énergie ∆U.
• La variation d’énergie interne ∆U due à une baisse de température
(sans changement d’état) se calcule par la relation :
Détermination de la résistance thermique (Valider)
À partir de ce graphique, en déduire la résistance thermique de la
bouteille isotherme, en explicitant clairement les approximations
réalisées.
∆U = m·cm·∆Tc
cm est la capacité thermique massique du corps chaud (4,18 J·g-1·K-1 pour
l’eau liquide).
m est la masse du corps chaud
∆Tc est la variation de température du corps chaud.
Pour déterminer Rth, on a besoin de connaître Pth. _______________
La relation Pth = |∆
∆U | / ∆t indique que Pth est la valeur absolue de la
pente de ∆U(t) si on l’assimile à une droite (1ère approximation),
comme indiqué en pointillé sur le graphique ____________________
Question préalable (S’approprier)
D’autre part Pth dépend de ∆Text. Cette différence de température
varie au cours du temps. Quelle valeur choisir alors ? Nous pouvons
choisir la valeur moyenne de ∆Text au cours de notre expérience. En
effet, comme son évolution est à peu près linéaire, l’erreur que nous
commettons en sous-estimant cette température en début
d’expérience est compensée par l’erreur commise en surestimant
cette températrure en fin d’experience. ________________________
• Quelles sont les grandeurs expérimentales auxquelles nous avons un
accès direct par la mesure ?
_________________________________________________________
Matériel disponible
• Votre bouteille thermos
• Deux thermomètres
• Un chronomètre
• Un dispositif pour chauffer de l’eau
• Une éprouvette graduée
• Une balance
• Votre cerveau équipé de beaucoup d’astuces et d’une réserve étendue
de connaissances ☺
Connaissance maintenant Pth et ∆Text, on peut en déduire une valeur
de Rth, qui varie entre 2 K·W-1 pour une bouteille en plastique à 40
K·W-1 pour une bouteille thermos de qualité ____________________
Remarque : nous aurions pu être plus précis dans l’exploitation de
donnée en modélisant ∆U(t) par autre chose qu’une droite (c’est une
exponentielle décroissante) mais cela aurait compliqué le traitement
mathématique du problème. _________________________________
Synthèse / Conclusion (Communiquer)
Faire une synthèse des résultats des différents groupes et les commenter.
_________________________________________________________
_________________________________________________________
_________________________________________________________
_________________________________________________________
1