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Expériences de transfert de chaleur
Il s'agit d'expériences utilisées pour étudier le comportement du transfert d'énergie thermique, en fonction de la méthode de transfert d'énergie dont nous parlons.
Laconduction est le transfert de l'énergie thermique qui est transmise par les collisions entre les atomes et les molécules.
Laconvection est le transfert d'énergie thermique dû au mouvement d'un fluide chauffé.
Il existe deux types de convection, à savoir la convection naturelle et la convection forcée. La convection naturelle se produit par le mouvement d'un fluide en raison des différences de densité dans un fluide, qui sont causées par les différences de température. La convection forcée se produit par un mouvement de fluide dû à une pompe ou à un ventilateur.
Lerayonnement est le transfert d'énergie thermique sous forme de radiation électromagnétique, qui est émise par une surface chauffée dans toutes les directions.
Expérience sur le transfert de chaleur par conduction
L'objectif de cette expérience est d'étudier le taux de conduction dans différents métaux. Plus précisément, quatre types de métaux différents seront utilisés pour étudier quel métal a le taux de conduction le plus élevé et le plus bas. Voyons quelques exemples ci-dessous.
Voici quelques exemples de transfert de chaleur par conduction :
- Lorsqu'on verse du thé chaud dans une tasse, les collisions entre les molécules à haute température et les atomes composant la tasse entraîneront un transfert d'énergie du café chaud vers la tasse.
- Lorsqu'un glaçon est positionné sur une surface plus chaude, la collision entre les molécules et les atomes de la surface et de la glace entraînera un transfert d'énergie thermique de la surface plus chaude vers la glace, provoquant la fonte de cette dernière.
La méthode la plus efficace de transfert de chaleur est la conduction. Cette méthode de transfert de chaleur se produit lorsqu'il y a un gradient de température à travers un corps.
Matériel pour une expérience de transfert de chaleur par conduction
- Support.
- Brûleur.
- Roulement à billes.
- Aluminium.
- Cuivre.
- Anneau de conduction.
- Fer.
- Laiton.
- Cire.
- Chronomètre.
Schéma d'une expérience de conduction.
Méthodologie pour une expérience de transfert de chaleur par conduction.
Tout d'abord, nous fixons des roulements à billes sur un support et nous plaçons un brûleur de type Bunsen sous les roulements à billes.
Ensuite, nous plaçons quatre types différents de bandes métalliques de largeur et de longueur égales sur les roulements à billes, deux horizontalement et deux verticalement de façon à ce qu'elles se rejoignent au centre, comme le montre la figure 1. Ces quatre métaux sont le fer, le laiton, le cuivre et l'aluminium.
À l'aide de cire, nous fixons les bandes de métal aux roulements à billes afin qu'elles ne bougent pas.
Les bandes doivent être chauffées à l'aide du brûleur au point central où les bandes se touchent.
La chaleur doit être conduite du point de contact des bandes au roulement à billes.
Lorsque la chaleur est transférée sur toute la longueur du roulement à billes, la cire fond et le roulement à billes tombe.
Nous utilisons un chronomètre pour enregistrer le temps nécessaire à la fonte de la cire sur chaque bande métallique et nous construisons un tableau avec les données enregistrées.
L'expérience est ensuite répétée pour calculer la moyenne de chaque temps.
Comme nous le savons, la conductivité thermique est la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Un matériau à forte conductivité thermique sera chauffé plus rapidement que les matériaux à faible conductivité thermique. L'utilisation du temps nécessaire à la chute de chaque bande permet de trouver quel matériau est le meilleur conducteur thermique ou a la conductivité thermique la plus élevée.
Les résultats sont indiqués ci-dessous dans le tableau. Les métaux sont classés en fonction du temps qu'il a fallu à la cire pour fondre sur chaque bande. Le métal dont la conductivité est la plus élevée est le cuivre et celui dont la conductivité thermique est la plus faible est le fer.
| Métaux classés de la plus haute à la plus basse conductivité thermique |
| 1. Le cuivre |
| 2. L'aluminium |
| 3. Laiton |
| 4. Le fer |
Sources d'erreurs aléatoires dans les expériences de transfert de chaleur par conduction.
- Chaque bande de métal doit être de la même taille, c'est-à-dire de la même largeur et de la même longueur.
- La quantité de cire utilisée doit être la même sur chaque bande.
- Des roulements à billes identiques doivent être utilisés.
Source d' erreurs systématiques dans les expériences de transfert de chaleur par conduction
- Ne pas laisser les baguettes refroidir à température ambiante avant de les chauffer, afin qu'elles chauffent toutes à partir de la même température.
Facteurs affectant le transfert de chaleur par conduction :
- Différence de température.
- La surface de la section transversale.
- L'épaisseur du matériau.
- Les propriétés thermiques du matériau.
Expérience sur le transfert de chaleur par convection
Le but de cette expérience est d'étudier le taux de convection des cristaux de permanganate de potassium dans deux températures d'eau différentes.
Voici quelques exemples de transfert de chaleur par convection :
- La convection naturelle :
- Brise de mer : Le soleil chauffe la zone autour de la terre et de la mer. La mer se réchauffe beaucoup plus lentement que la terre. Cela réchauffe l'air dans l'atmosphère au-dessus d'elle. L'air à haute température est moins dense et se dilate donc, créant une zone de basse pression au-dessus de la terre près de la côte, tandis qu'il y a une haute pression au-dessus de la mer. La différence de pression atmosphérique fait que l'air s'écoule de la mer vers la terre. Ce flux d'air soudain est ce que l'on appelle une brise de mer.
- Brise de terre : Il s'agit de la situation inverse. Lorsque le soleil se couche, la terre et la mer commencent à se refroidir. La terre perd la chaleur relativement plus vite que l'eau en raison des différences de capacité thermique. La température de la mer est donc relativement plus élevée, ce qui crée une faible pression atmosphérique au-dessus de la mer, alors que la pression au-dessus de la terre est élevée. La différence de pression entre l'air au-dessus de la terre et de la mer entraîne un flux d'air de la terre vers la mer, également connu sous le nom de brise de terre.
- Convection forcée :
- Réfrigérateur : Du gaz est mis en circulation par un ventilateur dans des conduites en cuivre à l'intérieur d'un réfrigérateur. Ce gaz absorbe la chaleur dans le réfrigérateur et circule à nouveau à l'extérieur du réfrigérateur.
Matériel pour les expériences de transfert de chaleur par convection
- Brûleur de type Bunsen.
- Trépied.
- Bécher.
- De l'eau.
- Cristaux de permanganate de potassium.
- Tapis résistant à la chaleur.
Schéma de l'expérience de convection.
Méthodologie pour les expériences de transfert de chaleur par convection.
- Le bécher est rempli de 250 ml d'eau froide et placé sur le trépied. Un tapis résistant à la chaleur, comme on le voit sur le schéma de la figure 2, se trouve sous la base.
- Les cristaux sont déposés très soigneusement et lentement au centre du bécher afin qu'ils ne soient pas dissous.
- Le bécher est ensuite chauffé à l'aide du brûleur.
- Les observations sont ensuite notées comme indiqué ci-dessous.
- L'expérience est répétée en utilisant de l'eau chaude au lieu de l'eau froide. Toutes les observations sont notées.
- Chauffe le bécher à l'aide du bec Bunsen et note tes observations.
- Répète l'expérience en utilisant la même quantité d'eau, mais au lieu de l'eau froide, il faut utiliser de l'eau chaude et noter les observations.
Observations dans les expériences de transfert de chaleur par convection
La chaleur est d'abord transférée de la flamme du brûleur aux parois du bécher par conduction.
Ensuite, l'eau la plus proche de la flamme est chauffée et se dilate. Par conséquent, l'eau devient moins dense et monte au sommet du verre. Pendant ce temps, les cristaux se dissolvent lentement et sont également déplacés vers le haut avec l'eau en expansion.
Au bout d'un certain temps, l'eau en haut du verre est refroidie et devient plus dense, ce qui la fait retomber au fond.
Lorsqu'un liquide est chauffé, il se dilate, ce qui est connu sous le nom de dilatation thermique.
Analyse des résultats des expériences de transfert de chaleur par convection
Tout ce processus des observations enregistrées se poursuit. C'est ce qu'on appelle le transfert de chaleur par convection, la chaleur étant transférée à travers le liquide.
Les cristaux suivent ce chemin appelé courant de convection, où les cristaux montent vers le haut puis retombent vers le bas.
Lorsque le processus est répété avec de l'eau froide, on observe que le courant de convection est plus rapide dans l'eau chaude. On peut donc conclure des observations ci-dessus que plus la température du liquide est élevée, plus l'énergie cinétique des molécules est importante. Par conséquent, dans l'expérience de l'eau chaude, les molécules des cristaux sont dissoutes et se déplacent plus rapidement que dans l'expérience de l'eau froide.
Sources d'erreurs aléatoires dans les expériences de transfert de chaleur par convection
La quantité d'eau dans le bécher doit être exactement la même.
Le brûleur doit avoir la même flamme dans les deux expériences.
Les cristaux doivent avoir la même taille.
Facteurs affectant la convection
- Le gradient de température entre les deux matériaux concernés.
- La section transversale des matériaux concernés.
- Les propriétés des matériaux.
Expérience de transfert de chaleur par rayonnement
L'objectif de cette expérience est de déterminer si la quantité de rayonnement infrarouge absorbée par une surface dépend des caractéristiques physiques de cette surface.
Le transfert d'énergie thermique du soleil à la terre sous forme de lumière ultraviolette est un exemple de transfert de chaleur par rayonnement.
Matériel utilisé pour les expériences de transfert de chaleur par rayonnement
- De l'eau chaude.
- Quatre béchers de couleurs différentes.
- Thermomètre.
Expérience sur le rayonnement. Georgia Panagi- StudySmarter Originals
Méthodologie des expériences de transfert de chaleur par rayonnement
- Positionne les quatre flacons de couleurs différentes sur une surface et laisse-les à température ambiante pour qu'ils atteignent la même température.
- Remplis les flacons avec de l'eau chaude.
- Crée un tableau avec cinq colonnes, une avec le temps et une colonne pour chaque flacon coloré. Note la température de départ.
- Mesure les températures à intervalles réguliers, par exemple toutes les 30 secondes.
Analyse des résultats des expériences de transfert de chaleur par rayonnement
- Les résultats du tableau sont reportés sur un graphique de la température en fonction du temps, y compris toutes les différentes températures pour chaque ballon. Utilise des couleurs différentes pour chaque ballon. Les résultats attendus du graphique devraient être similaires à ceux de la figure 4, qui est un graphique de température indiquée en fonction du temps.
Graphique de la température indiquée en fonction du temps. Georgia Panagi- StudySmarter Originals
- Toute différence de perte de chaleur dans les béchers doit être due au rayonnement thermique infrarouge car les béchers sont de forme identique.
- Le taux de perte de chaleur ou de refroidissement peut être comparé pour chaque bécher peut être conclu à partir du graphique.
- Le graphique permet également de conclure que l'intensité du rayonnement thermique émis doit dépendre de la couleur ainsi que de la température du corps (qui était la même dans cette expérience) et de la surface (qui était également la même au cours de cette expérience).
Sources d'erreurs aléatoires dans les expériences de transfert de chaleur par rayonnement
Effectue des relevés répétés pour chaque flacon coloré.
Lis les valeurs sur le thermomètre à hauteur des yeux, pour éviter les erreurs de parallaxe.
Mêmes quantités d'eau chaude.
Même température de départ de l'eau.
Même intervalle de temps.
Sources d'erreurs systématiques dans les expériences de transfert de chaleur par rayonnement
- Assure-toi que la température de départ de l'eau est la même pour chaque matériau.
- Utilise un enregistreur de données connecté à un thermomètre numérique pour obtenir des relevés plus précis.
Consignes de sécurité pour les expériences de transfert de chaleur
- Tu dois porter des lunettes de sécurité lorsque tu utilises un bec bunsen.
- Tiens l'eau éloignée de tout équipement électrique.
- Veille à ne pas toucher directement l'eau chaude.
Expériences de transfert de chaleur - Principaux enseignements
Il existe trois méthodes principales de transfert d'énergie : la conduction, la convection et le rayonnement.
La conduction est le transfert de l'énergie thermique qui est transmise par les collisions entre les atomes et les molécules en raison des différences de température.
La convection est le transfert d'énergie thermique dû au mouvement d'un fluide chauffé. Il existe deux types de convection, à savoir la convection naturelle et la convection forcée.
Le rayonnement est le transfert d'énergie thermique, sous forme de radiation électromagnétique, qui est émise par une surface chauffée dans toutes les directions.
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