Les trois modes de transfert thermique | Première Bac Pro ICCER (Grpt 1)
Un installateur thermique travaille dans un pavillon. Voici différentes situations qu'il observe.
1. Compléter le tableau en indiquant le mode de transfert thermique (conduction, convection ou rayonnement) : (4 pts)
| Situation | Mode de transfert |
|---|---|
| a) La chaleur traverse le mur en béton | ……………………… |
| b) L'air chaud monte vers le plafond | ……………………… |
| c) Le Soleil réchauffe le panneau solaire | ……………………… |
| d) Le circulateur pousse l'eau chaude dans les tuyaux | ……………………… |
2. Compléter la phrase : (2 pts)
« Le transfert thermique se fait toujours spontanément du corps ……… vers le corps ……… . »
3. Voici trois matériaux : (2 pts)
a) Quel est le meilleur isolant ? ………………
b) Quel est le meilleur conducteur ? ………………
1. a) Conduction — b) Convection (naturelle) — c) Rayonnement — d) Convection (forcée)
2. « du corps chaud vers le corps froid »
3. a) Le meilleur isolant est la laine de verre (λ le plus faible). b) Le meilleur conducteur est le cuivre (λ le plus élevé).
Un plombier chauffagiste doit isoler un tuyau en cuivre transportant de l'eau à 60 °C. Le local est à 15 °C. Il utilise une gaine en mousse (λ = 0,035 W/(m·K)).
1. Dans quel sens la chaleur se transfère-t-elle ? Compléter : (1 pt)
Du ……… (…… °C) vers le ……… (…… °C)
2. Quel est le mode de transfert dominant à travers la paroi du tuyau en cuivre ? (1 pt)
3. La gaine en mousse est-elle un bon conducteur ou un bon isolant ? Justifier avec la valeur de λ. (2 pts)
4. Calculer le rapport : \(\dfrac{\lambda_{\text{cuivre}}}{\lambda_{\text{mousse}}} = \dfrac{390}{0{,}035} = \) ……… (1,5 pt)
5. Que signifie ce résultat ? (1,5 pt)
1. Du tuyau (60 °C) vers le local (15 °C).
2. La conduction : la chaleur traverse le matériau solide sans déplacement de matière.
3. La gaine en mousse est un bon isolant car sa conductivité thermique est très faible (λ = 0,035 W/(m·K)).
4. \(\dfrac{390}{0{,}035} \approx 11\,143\)
5. Le cuivre conduit la chaleur environ 11 000 fois mieux que la mousse isolante. La gaine en mousse réduit donc considérablement les pertes de chaleur du tuyau.
Indiquer si chaque affirmation est vraie ou fausse. Corriger les affirmations fausses. (1 pt par question)
a) Le rayonnement nécessite un support matériel pour se propager. ☐ Vrai ☐ Faux
b) La convection peut exister dans un solide. ☐ Vrai ☐ Faux
c) La chaleur se transfère spontanément du froid vers le chaud. ☐ Vrai ☐ Faux
d) L'air immobile est un bon isolant thermique. ☐ Vrai ☐ Faux
e) Plus λ est élevé, meilleur est l'isolant. ☐ Vrai ☐ Faux
a) Faux. Le rayonnement ne nécessite aucun support matériel : il peut se propager dans le vide.
b) Faux. La convection ne peut exister que dans un fluide (liquide ou gaz), pas dans un solide.
c) Faux. La chaleur se transfère spontanément du corps chaud vers le corps froid.
d) Vrai. L'air immobile a une conductivité thermique très faible (λ = 0,026 W/(m·K)).
e) Faux. Plus λ est faible, meilleur est l'isolant. Un λ élevé caractérise un bon conducteur.
Un technicien chauffagiste réalise un bilan thermique d'un pavillon. La température intérieure est de 20 °C, la température extérieure est de 2 °C. Il relève les déperditions suivantes :
1. Dans quel sens se fait le transfert thermique ? Justifier. (1,5 pt)
2. Pour chaque poste de déperdition, identifier le ou les modes de transfert thermique en jeu. (3 pts)
3. Pourquoi la toiture est-elle le poste de déperdition le plus important ? Utiliser le vocabulaire des transferts thermiques. (2 pts)
4. Le technicien propose d'isoler la toiture avec 20 cm de laine de verre (λ = 0,035 W/(m·K)). Comparer cette conductivité avec celle du béton (λ = 1,7 W/(m·K)). (1,5 pt)
1. Le transfert se fait de l'intérieur (20 °C) vers l'extérieur (2 °C). La chaleur se transfère spontanément du corps chaud vers le corps froid.
2.
3. La toiture est le poste le plus important car l'air chaud, moins dense, monte par convection naturelle et s'accumule sous la toiture. L'écart de température y est donc maximal, ce qui accélère le transfert thermique par conduction à travers le matériau.
4. \(\dfrac{\lambda_{\text{béton}}}{\lambda_{\text{laine}}} = \dfrac{1{,}7}{0{,}035} \approx 48{,}6\). Le béton conduit environ 49 fois mieux la chaleur que la laine de verre. L'isolation réduit donc considérablement les déperditions par conduction.
Un technicien CVC compare trois systèmes de chauffage :
1. Pour chaque système, indiquer le mode de transfert thermique principal utilisé pour chauffer la pièce. (3 pts)
2. Le radiateur à eau chaude fonctionne-t-il par convection naturelle ou forcée ? Et le circuit de distribution de l'eau, quel type de convection utilise-t-il ? (2 pts)
3. Pourquoi le plancher chauffant est-il considéré comme plus confortable que le convecteur ? Raisonner en termes de mode de transfert. (2 pts)
1.
2. L'air autour du radiateur est chauffé par convection naturelle (mouvement dû à la différence de densité). Le circuit de distribution utilise la convection forcée (un circulateur/pompe fait circuler l'eau).
3. Le plancher chauffant chauffe principalement par rayonnement, qui réchauffe directement les objets et les personnes sans trop déplacer l'air. Le convecteur chauffe par convection, créant des courants d'air et une stratification de température (chaud en haut, froid en bas). Le rayonnement procure une sensation de chaleur plus homogène et plus agréable.
Un plombier chauffagiste doit isoler les combles d'un pavillon. Il hésite entre trois matériaux :
| Matériau | λ (W/(m·K)) | Épaisseur disponible |
|---|---|---|
| Laine de verre | 0,035 | 20 cm |
| Polystyrène expansé | 0,032 | 12 cm |
| Ouate de cellulose | 0,039 | 25 cm |
1. Quel matériau possède la meilleure conductivité thermique (le meilleur isolant par cm) ? (1 pt)
2. Quel mode de transfert thermique est réduit par ces isolants ? (1 pt)
3. Pourquoi l'épaisseur de l'isolant est-elle aussi importante que la valeur de λ ? (1,5 pt)
4. Le technicien choisit finalement la laine de verre en 20 cm. Donner deux arguments pour justifier ce choix. (1,5 pt)
1. Le polystyrène expansé (λ = 0,032) possède la conductivité thermique la plus faible : c'est le meilleur isolant par cm d'épaisseur.
2. Ces isolants réduisent la conduction thermique à travers les parois.
3. L'épaisseur est importante car plus l'isolant est épais, plus le chemin que la chaleur doit parcourir par conduction est long, et donc plus les pertes sont réduites. Un matériau avec un bon λ mais en faible épaisseur peut être moins performant qu'un matériau moins bon mais plus épais.
4. La laine de verre en 20 cm est un bon compromis : (1) sa conductivité est faible (λ = 0,035, proche du polystyrène), et (2) l'épaisseur de 20 cm offre une bonne résistance thermique. De plus, elle est souple et facile à poser dans des combles.
Un technicien chauffagiste réalise un diagnostic thermique sur un bâtiment industriel de 500 m². La température intérieure de consigne est 19 °C, la température extérieure est 0 °C.
Les relevés de la caméra thermique donnent :
| Élément | Tsurface int. | Tsurface ext. | Matériau | λ (W/(m·K)) | Épaisseur |
|---|---|---|---|---|---|
| Mur béton | 16 °C | 5 °C | Béton | 1,7 | 20 cm |
| Toiture tôle | 14 °C | 2 °C | Acier | 50 | 0,5 mm |
| Porte métallique | 10 °C | 1 °C | Acier | 50 | 3 mm |
1. Quelle zone présente la température intérieure de surface la plus basse ? Expliquer pourquoi en termes de transfert thermique. (2 pts)
2. Calculer le rapport \(\dfrac{\lambda_{\text{acier}}}{\lambda_{\text{béton}}}\). Interpréter. (1,5 pt)
3. La toiture en tôle est très fine (0,5 mm). Malgré cette faible épaisseur, elle constitue un point faible thermique majeur. Expliquer pourquoi en considérant les trois modes de transfert. (3 pts)
4. Le technicien propose d'isoler la toiture avec 15 cm de laine de roche (λ = 0,040 W/(m·K)) et de remplacer la porte par un modèle isolé (mousse polyuréthane, λ = 0,025 W/(m·K), épaisseur 4 cm).
a) Calculer le rapport \(\dfrac{\lambda_{\text{acier}}}{\lambda_{\text{laine de roche}}}\). (1 pt)
b) Expliquer qualitativement l'effet de l'isolation sur les trois modes de transfert. (2,5 pts)
1. La porte métallique présente la température intérieure la plus basse (10 °C). L'acier est un bon conducteur thermique (λ = 50) et la porte est mince : le flux de chaleur par conduction est très important, ce qui refroidit fortement la surface intérieure.
2. \(\dfrac{\lambda_{\text{acier}}}{\lambda_{\text{béton}}} = \dfrac{50}{1{,}7} \approx 29{,}4\). L'acier conduit la chaleur environ 29 fois mieux que le béton. Les éléments en acier sont donc des points faibles thermiques importants.
3. La toiture en tôle est un point faible majeur pour trois raisons :
4. a) \(\dfrac{\lambda_{\text{acier}}}{\lambda_{\text{laine}}} = \dfrac{50}{0{,}040} = 1\,250\). L'acier conduit 1 250 fois mieux que la laine de roche.
4. b)
Un installateur thermique doit installer un chauffe-eau solaire thermique composé de :
1. Tracer un schéma simplifié du circuit en identifiant les modes de transfert à chaque étape. (3 pts)
2. Pourquoi la surface des panneaux est-elle noire ? Quel serait l'effet d'une surface blanche ou argentée ? (2 pts)
3. L'échangeur est en cuivre (λ = 390 W/(m·K)). Pourquoi ce choix de matériau est-il pertinent ici, alors qu'on cherche habituellement à limiter la conduction ? (2 pts)
4. L'isolation du ballon utilise de la mousse polyuréthane. Calculer le rapport \(\dfrac{\lambda_{\text{cuivre}}}{\lambda_{\text{mousse}}}\). Expliquer pourquoi l'échangeur et l'isolation utilisent deux matériaux aux propriétés opposées. (3 pts)
1. Schéma (description) :
2. La surface noire absorbe un maximum de rayonnement solaire (environ 95 %). Une surface blanche réfléchirait la majeure partie du rayonnement (faible absorption), et une surface argentée serait encore pire (réflexion quasi totale). Le rendement du panneau serait alors très faible.
3. Ici, on veut que la chaleur passe rapidement du fluide caloporteur vers l'eau du ballon. Le cuivre, excellent conducteur (λ = 390), permet un transfert de chaleur très efficace à travers l'échangeur. L'objectif est de maximiser le transfert à cet endroit précis, pas de l'empêcher.
4. \(\dfrac{\lambda_{\text{cuivre}}}{\lambda_{\text{mousse}}} = \dfrac{390}{0{,}025} = 15\,600\). Le cuivre conduit 15 600 fois mieux que la mousse. L'échangeur en cuivre favorise le transfert (on veut que la chaleur passe), tandis que l'isolation en mousse empêche le transfert (on veut conserver la chaleur dans le ballon). Ce sont deux fonctions complémentaires : transférer la chaleur là où c'est utile, et la retenir là où on veut la stocker.