Le vase Dewar : bloquer les trois modes
Exercice de TD · niveau 2 · thermodynamique (MPSI), chapitre 4 — Travail et transferts thermiques · C. Les transferts thermiques
Énoncé
A. Le radiateur. Un radiateur d'appartement est placé en bas d'un mur, souvent sous une fenêtre.
1) Par quels modes de transfert thermique le radiateur chauffe-t-il la pièce ? Lequel domine ?
2) Décrire le mouvement de l'air dans la pièce (cellule de convection), en expliquant pourquoi l'air chauffé monte.
3) Pourquoi placer le radiateur en bas, sous la fenêtre, plutôt qu'au plafond ?
B. Le vase Dewar. Un vase Dewar (bouteille « isotherme ») est fait de deux parois de verre séparées par un vide poussé, argentées sur leurs faces en regard, fermées par un bouchon isolant ; le col est fin et long.
4) Pour chacun de ces quatre éléments — vide, argenture, bouchon, col fin et long — dire quel mode de transfert il réduit, et pourquoi.
5) Pourquoi le vide seul ne suffit-il pas ? Par quel mode la Terre reçoit-elle l'énergie du Soleil ?
C. Deux applications.
6) Un double vitrage emprisonne une lame d'air de entre deux vitres. Pourquoi l'air immobile isole-t-il bien ? Pourquoi la lame ne doit-elle pas être trop épaisse ? (Réponse qualitative.)
7) Une couverture de survie est une feuille de plastique aluminisé très mince. Quel mode bloque-t-elle ? Pourquoi est-elle inefficace contre le vent si on ne la serre pas autour du corps ?
Corrigé
La stratégie. Chaque mode de transfert a son support : la conduction passe de proche en proche dans la matière immobile ; la convection transporte l'énergie par le déplacement d'un fluide ; le rayonnement est une onde électromagnétique qui n'a besoin d'aucun support. Pour bloquer un mode, on supprime son support : la matière pour la conduction, le mouvement du fluide pour la convection, et pour le rayonnement — qui traverse le vide — on le réfléchit.
1) Les modes du radiateur. Le radiateur chauffe l'air à son contact par conduction, sur une couche mince ; cet air chauffé se met en mouvement et emporte l'énergie dans toute la pièce : c'est la convection, qui domine. Le radiateur rayonne aussi (dans l'infrarouge), d'autant plus qu'il est chaud ; on le sent en approchant la main par le côté, hors du courant d'air chaud.
2) La cellule de convection. L'air chauffé se dilate : à pression égale, sa masse volumique diminue, il devient plus léger que l'air environnant et monte le long du mur. Il s'étale sous le plafond, se refroidit au contact des murs et des vitres, redevient plus dense et redescend de l'autre côté de la pièce, puis revient vers le radiateur au ras du sol. Cette boucle fermée est une cellule de convection : elle brasse tout le volume de la pièce.
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