Exercices | Première Bac Pro ICCER (Grpt 1) – Conduction, convection, rayonnement
Pour chaque situation, indiquer le mode de transfert thermique principal en cochant la bonne case.
| Situation | Conduction | Convection | Rayonnement |
|---|---|---|---|
| a) Une cuillère en métal dans une casserole d'eau chaude | ☐ | ☐ | ☐ |
| b) L'air chaud qui monte au-dessus d'un radiateur | ☐ | ☐ | ☐ |
| c) Le Soleil qui réchauffe la Terre | ☐ | ☐ | ☐ |
| d) La chaleur traverse un mur de béton | ☐ | ☐ | ☐ |
| e) Un ventilo-convecteur souffle de l'air chaud | ☐ | ☐ | ☐ |
| f) On sent la chaleur devant un poêle à bois | ☐ | ☐ | ☐ |
a) Conduction : la chaleur se transmet le long du métal, de proche en proche, sans déplacement de matière.
b) Convection (naturelle) : l'air chauffé, moins dense, s'élève et est remplacé par de l'air plus froid.
c) Rayonnement : le Soleil transmet sa chaleur par ondes électromagnétiques à travers le vide spatial.
d) Conduction : la chaleur traverse le matériau solide sans déplacement de matière.
e) Convection (forcée) : un ventilateur force le déplacement de l'air chaud.
f) Rayonnement : le poêle émet des ondes infrarouges perçues comme de la chaleur, même à distance.
Un technicien chauffagiste doit isoler des canalisations d'eau chaude. Il compare trois matériaux :
| Matériau | λ en W/(m·K) |
|---|---|
| Mousse polyuréthane | 0,025 |
| Laine de roche | 0,040 |
| Caoutchouc mousse | 0,033 |
1. Compléter la phrase : « Plus la valeur de λ est ………, meilleur est l'………. »
2. Classer les trois matériaux du meilleur isolant au moins bon isolant.
3. Quel matériau le technicien devrait-il choisir pour minimiser les pertes de chaleur ?
1. « Plus la valeur de λ est faible (petite), meilleur est l'isolant. »
2. Classement du meilleur au moins bon isolant : Mousse polyuréthane (0,025) > Caoutchouc mousse (0,033) > Laine de roche (0,040).
3. Le technicien devrait choisir la mousse polyuréthane car elle possède la conductivité thermique la plus faible (λ = 0,025 W/(m·K)).
Pour chaque situation, indiquer le sens du transfert thermique en traçant une flèche (du chaud vers le froid) :
a) Un tuyau d'eau chaude (55 °C) dans un local à 15 °C.
Sens : ……… → ………
b) Un mur extérieur : intérieur 20 °C, extérieur −5 °C.
Sens : ……… → ………
c) Un glaçon (0 °C) plongé dans un verre d'eau (18 °C).
Sens : ……… → ………
d) Peut-on observer un transfert thermique spontané du froid vers le chaud ? Justifier.
a) Du tuyau (55 °C) → vers le local (15 °C). La chaleur va du chaud vers le froid.
b) De l'intérieur (20 °C) → vers l'extérieur (−5 °C).
c) De l'eau (18 °C) → vers le glaçon (0 °C). Le glaçon reçoit de la chaleur et fond.
d) Non. Le transfert thermique spontané se fait toujours du corps chaud vers le corps froid. Pour inverser ce sens (comme dans une pompe à chaleur), il faut fournir de l'énergie.
Un plombier chauffagiste doit isoler un local technique contenant une chaudière. Il constate les déperditions suivantes :
1. Quel poste de déperdition est le plus important ? Expliquer pourquoi en utilisant le vocabulaire des transferts thermiques.
2. Le technicien envisage d'isoler les murs avec de la laine de verre (λ = 0,035 W/(m·K)). Combien de fois le cuivre conduit-il mieux la chaleur que la laine de verre ? (Donnée : λcuivre = 390 W/(m·K))
3. Pour chaque zone du local, identifier le mode de transfert thermique dominant et proposer une solution d'isolation.
4. Pourquoi un double vitrage isole-t-il mieux qu'un simple vitrage ? Quel mode de transfert est principalement réduit ?
1. Le plafond représente 40 % des pertes. C'est le poste le plus important car l'air chaud, moins dense que l'air froid, monte par convection naturelle et s'accumule sous le plafond. Le transfert thermique entre cet air chaud et l'extérieur (plus froid) est donc maximal à cet endroit.
2. \(\dfrac{\lambda_{\text{cuivre}}}{\lambda_{\text{laine}}} = \dfrac{390}{0{,}035} \approx 11\,143\). Le cuivre conduit la chaleur environ 11 000 fois mieux que la laine de verre.
3.
4. Le double vitrage emprisonne une lame d'air (ou d'argon) entre deux vitres. L'air immobile est un excellent isolant (λ = 0,026). Le mode principalement réduit est la conduction : la lame d'air crée une barrière thermique.
Dans un circuit de chauffage central, l'eau est chauffée à 60 °C par une chaudière, circule dans des radiateurs, et revient à 40 °C.
1. Identifier le mode de transfert thermique dans chaque partie du circuit :
2. Quelle est la différence entre convection naturelle et convection forcée ? Donner un exemple de chaque dans ce circuit.
3. Pourquoi l'eau revient-elle à 40 °C et non à 60 °C ? Dans quel sens s'est fait le transfert thermique dans les radiateurs ?
1.
2. La convection naturelle résulte de la différence de densité entre fluide chaud et froid (ex : air qui monte au-dessus du radiateur). La convection forcée est provoquée par un dispositif mécanique (ex : circulateur qui pousse l'eau dans les tuyaux).
3. L'eau revient à 40 °C car elle a cédé de la chaleur aux radiateurs. Le transfert thermique s'est fait de l'eau chaude (60 °C) vers l'air de la pièce (environ 20 °C) : du chaud vers le froid.
Un installateur thermique doit calorifuger (isoler) un tuyau de cuivre de 22 mm transportant de l'eau à 65 °C dans un local non chauffé (12 °C). Il dispose de trois matériaux :
| Matériau | λ (W/(m·K)) | Prix (€/m) |
|---|---|---|
| Gaine Armaflex | 0,036 | 3,50 |
| Coquille laine de roche | 0,040 | 2,80 |
| Mousse polyéthylène | 0,038 | 1,20 |
1. Quel est le sens du transfert thermique entre le tuyau et le local ? Justifier.
2. Quel mode de transfert domine à travers l'isolant ?
3. Classer les matériaux du meilleur isolant au moins bon.
4. Si le budget est limité, quel matériau conseiller ? Justifier le choix en tenant compte du rapport performance/prix.
1. Le transfert se fait du tuyau (65 °C) vers le local (12 °C), car la chaleur se propage spontanément du chaud vers le froid.
2. Le mode dominant à travers l'isolant est la conduction : la chaleur traverse le matériau solide sans déplacement de matière.
3. Du meilleur au moins bon isolant (du λ le plus faible au plus élevé) :
4. Avec un budget limité, la mousse polyéthylène est le meilleur compromis : ses performances thermiques (λ = 0,038) sont proches du meilleur matériau (0,036, soit seulement 5 % d'écart) mais son prix est 3 fois inférieur (1,20 € vs 3,50 €/m).
Un technicien CVC installe des panneaux solaires thermiques sur le toit d'un immeuble. Le système fonctionne ainsi :
1. Identifier le mode de transfert thermique à chaque étape du système.
2. Pourquoi les panneaux sont-ils peints en noir ? Quel mode de transfert est concerné ?
3. Pourquoi isole-t-on les tuyaux entre les panneaux et le ballon ? Quel mode de transfert cherche-t-on à limiter ?
1.
2. Les panneaux sont peints en noir car les surfaces sombres absorbent davantage le rayonnement que les surfaces claires ou réfléchissantes. Le mode concerné est le rayonnement.
3. On isole les tuyaux pour limiter les pertes de chaleur par conduction à travers les parois des tuyaux et par rayonnement des surfaces chaudes vers l'air ambiant.
Un technicien chauffagiste réalise un diagnostic thermique d'un pavillon. La caméra thermique révèle les températures de surface suivantes :
| Zone | Tintérieure | Textérieure | Matériau | λ (W/(m·K)) |
|---|---|---|---|---|
| Mur béton (20 cm) | 19 °C | 8 °C | Béton | 1,7 |
| Mur isolé (béton 20 cm + laine 10 cm) | 20 °C | 2 °C | Béton + laine de verre | 0,035 |
| Fenêtre simple vitrage | 12 °C | 1 °C | Verre | 1,0 |
| Tuyau cuivre non isolé | 58 °C | — | Cuivre | 390 |
1. Pour chaque zone, identifier les modes de transfert thermique en jeu et justifier.
2. Pourquoi la température intérieure du mur non isolé (19 °C) est-elle inférieure à celle du mur isolé (20 °C) ? Raisonner en termes de flux de chaleur.
3. Calculer le rapport \(\frac{\lambda_{\text{béton}}}{\lambda_{\text{laine}}}\). Interpréter ce résultat.
4. La fenêtre simple vitrage a une température intérieure de 12 °C, bien inférieure aux 20 °C ambiants. Expliquer ce phénomène et proposer une solution. Quel mode de transfert est principalement réduit ?
5. Rédiger un rapport de diagnostic (5 lignes) pour le client, en indiquant les priorités d'isolation et les modes de transfert concernés.
1.
2. Le mur non isolé laisse passer un flux de chaleur important (béton : λ = 1,7), ce qui refroidit la surface intérieure. Le mur isolé conserve la chaleur : la laine de verre (λ = 0,035) bloque la conduction, donc la surface intérieure reste proche de la température ambiante.
3. \(\dfrac{\lambda_{\text{béton}}}{\lambda_{\text{laine}}} = \dfrac{1{,}7}{0{,}035} \approx 48{,}6\). Le béton conduit la chaleur environ 49 fois mieux que la laine de verre. Ajouter 10 cm de laine divise considérablement les pertes par conduction.
4. Le verre est un conducteur thermique moyen (λ = 1,0) et le simple vitrage est mince (4 mm). Le flux de chaleur traverse facilement, refroidissant la surface intérieure. Solution : passer en double vitrage avec lame d'air ou d'argon. Le mode principalement réduit est la conduction grâce à la lame d'air isolante.
5. Exemple de rapport : « Le diagnostic thermique révèle trois priorités : (1) les fenêtres simple vitrage présentent des pertes importantes par conduction — remplacer par du double vitrage ; (2) les canalisations en cuivre non isolées dissipent de la chaleur par conduction et rayonnement — les calorifuger avec de la mousse isolante ; (3) les murs non isolés laissent passer la chaleur par conduction — poser un doublage en laine de verre. Ces interventions permettront de réduire significativement la consommation de chauffage. »
Un thermos (bouteille isotherme) est constitué de :
1. Pour chacun des trois modes de transfert thermique, expliquer comment le thermos le réduit ou l'élimine.
2. Un installateur thermique utilise un ballon d'eau chaude sanitaire de 200 litres. Quels principes du thermos retrouve-t-on dans la conception de ce ballon ?
3. Malgré tout, l'eau du thermos finit par refroidir. Expliquer pourquoi l'isolation n'est jamais parfaite.
1.
2. Le ballon d'eau chaude sanitaire utilise les mêmes principes : une cuve métallique entourée d'un isolant (mousse polyuréthane) pour réduire la conduction, et parfois une enveloppe réfléchissante pour limiter le rayonnement. Cependant, il n'y a pas de vide : l'isolant mousse joue le rôle de barrière thermique.
3. L'isolation n'est jamais parfaite car : le vide n'est pas absolu (il reste des traces de gaz), le bouchon laisse passer un peu de chaleur par conduction, la couche réfléchissante ne renvoie pas 100 % du rayonnement, et les jonctions entre les différentes parties créent des ponts thermiques. Le transfert est seulement ralenti, jamais totalement empêché.