Les trois modes de transfert thermique — Première Bac Pro ICCER (Grpt 1)
Durée : 10-15 min | Calculatrice autorisée
Barème : 20 points
Compléter le tableau :
| Mode | Support nécessaire ? | Déplacement de matière ? |
|---|---|---|
| Conduction | ... (solide surtout) | ... |
| Convection | ... (liquide ou gaz) | ... |
| Rayonnement | ... | ... |
| Mode | Support nécessaire ? | Déplacement de matière ? |
|---|---|---|
| Conduction | Oui (solide surtout) | Non |
| Convection | Oui (fluide) | Oui |
| Rayonnement | Non (vide possible) | Non |
a) Dans quel sens la chaleur se déplace-t-elle spontanément ?
b) Comment s'appelle l'état atteint quand les deux corps sont à la même température ?
a) La chaleur se déplace spontanément du corps chaud vers le corps froid.
b) C'est l'équilibre thermique.
Parmi les matériaux suivants, quel est le meilleur isolant thermique ?
Justifier votre réponse.
Le meilleur isolant est la laine de verre (\(\lambda = 0{,}035\)) car elle a la conductivité thermique la plus faible. Plus \(\lambda\) est petit, moins le matériau conduit la chaleur.
Pour chaque situation, indiquer s'il s'agit de convection naturelle ou forcée :
a) L'air chaud qui monte au-dessus d'un radiateur.
b) Le circulateur d'un circuit de chauffage central qui fait circuler l'eau.
a) Convection naturelle (l'air chaud, moins dense, monte spontanément).
b) Convection forcée (le circulateur est une pompe qui pousse l'eau).
Identifier le mode de transfert thermique principal dans chaque situation :
a) La chaleur du Soleil qui arrive sur Terre.
b) Un tuyau de cuivre d'eau chaude qui chauffe au toucher.
a) Rayonnement (le Soleil chauffe la Terre à travers le vide spatial).
b) Conduction (la chaleur traverse la paroi du tuyau de cuivre).
Barème : 20 points
Compléter le tableau :
| Situation | Mode de transfert thermique |
|---|---|
| La chaleur traverse une paroi en béton | ... |
| L'air chaud circule dans une pièce | ... |
| Le Soleil réchauffe un panneau solaire | ... |
| Situation | Mode de transfert thermique |
|---|---|
| La chaleur traverse une paroi en béton | Conduction |
| L'air chaud circule dans une pièce | Convection |
| Le Soleil réchauffe un panneau solaire | Rayonnement |
a) Un tuyau d'eau chaude à 70 °C traverse un local à 15 °C. Dans quel sens la chaleur se transfère-t-elle ?
b) Quand les deux corps atteignent la même température, comment appelle-t-on cet état ?
a) La chaleur se transfère du tuyau chaud (70 °C) vers le local froid (15 °C).
b) C'est l'équilibre thermique.
Parmi les matériaux suivants, quel est le meilleur conducteur thermique ?
Justifier votre réponse.
Le meilleur conducteur thermique est l'aluminium (\(\lambda = 237\)) car il a la conductivité thermique la plus élevée. Plus \(\lambda\) est grand, mieux le matériau conduit la chaleur.
Pour chaque situation, indiquer s'il s'agit de convection naturelle ou forcée :
a) Un ventilateur qui pulse de l'air chaud dans une pièce.
b) L'eau chaude qui monte dans un thermosiphon.
a) Convection forcée (le ventilateur est un dispositif mécanique qui pousse l'air).
b) Convection naturelle (l'eau chaude, moins dense, monte spontanément).
Identifier le mode de transfert thermique principal dans chaque situation :
a) Un radiateur en fonte qui réchauffe l'air de la pièce.
b) La chaleur qui se propage dans une barre de cuivre chauffée à une extrémité.
a) Convection (l'air est chauffé au contact du radiateur, monte, et crée un courant convectif).
b) Conduction (la chaleur se propage de proche en proche à travers le métal).
Barème : 20 points
Un plombier chauffagiste installe des canalisations en cuivre (\(\lambda = 390\) W/(m·K)) pour distribuer l'eau chaude. Il les enveloppe d'une gaine isolante en mousse (\(\lambda = 0{,}035\) W/(m·K)).
a) Calculer le rapport des conductivités thermiques cuivre/mousse.
b) Interpréter ce résultat en une phrase.
a) \(\dfrac{390}{0{,}035} \approx \mathbf{11\,143}\)
b) Le cuivre conduit la chaleur environ 11 000 fois mieux que la gaine isolante. L'isolation est donc très efficace pour limiter les pertes de chaleur.
Un installateur thermique doit isoler un local technique abritant une chaudière à condensation. La température de l'eau est de 60 °C et le local est à 10 °C en hiver.
a) Dans quel sens la chaleur se transfère-t-elle ?
b) Citer les trois modes de transfert thermique qui interviennent simultanément dans ce local.
c) Expliquer pourquoi le plafond perd plus de chaleur que le sol.
a) La chaleur se transfère de l'eau chaude (60 °C) vers le local (10 °C), puis du local vers l'extérieur.
b) Conduction (à travers les murs et tuyaux), convection (air chaud qui monte) et rayonnement (émis par la chaudière et les tuyaux chauds).
c) Par convection naturelle, l'air chaud monte et s'accumule sous le plafond, augmentant les échanges thermiques à travers cette paroi.
Associer chaque système de chauffage au mode de transfert thermique principal :
| Système | Mode principal |
|---|---|
| Convecteur électrique | ... |
| Plancher chauffant | ... |
| Panneau rayonnant | ... |
| Radiateur à eau chaude | ... |
| Système | Mode principal |
|---|---|
| Convecteur électrique | Convection (90 %) |
| Plancher chauffant | Rayonnement (60 %) |
| Panneau rayonnant | Rayonnement (80 %) |
| Radiateur à eau chaude | Convection (80 %) |
Un technicien chauffagiste utilise une caméra thermique pour inspecter la façade d'un bâtiment. Il observe des zones rouges autour des fenêtres.
a) Quel mode de transfert thermique la caméra détecte-t-elle ?
b) Que signifient les zones rouges ? Quel est le problème ?
a) La caméra détecte le rayonnement infrarouge émis par les surfaces.
b) Les zones rouges indiquent des températures élevées : ce sont des ponts thermiques (zones mal isolées par lesquelles la chaleur s'échappe vers l'extérieur).
Expliquer le principe du double vitrage en utilisant les notions de conduction et de conductivité thermique.
Le double vitrage emprisonne une lame d'air immobile (ou de gaz argon) entre deux vitres. L'air immobile a une très faible conductivité thermique (\(\lambda = 0{,}026\) W/(m·K)), ce qui en fait un excellent isolant. La chaleur ne peut plus traverser facilement par conduction, ce qui réduit considérablement les pertes thermiques à travers les fenêtres.
Barème : 20 points
Un installateur thermique installe des canalisations en acier (\(\lambda = 50\) W/(m·K)) pour distribuer l'eau chaude. Il les recouvre d'un calorifugeage en laine de roche (\(\lambda = 0{,}040\) W/(m·K)).
a) Calculer le rapport des conductivités thermiques acier/laine de roche.
b) Interpréter ce résultat en une phrase.
a) \(\dfrac{50}{0{,}040} = \mathbf{1\,250}\)
b) L'acier conduit la chaleur environ 1 250 fois mieux que la laine de roche. Le calorifugeage est donc très efficace pour limiter les pertes de chaleur.
Un technicien CVC intervient dans une chaufferie où la température de l'eau dans la chaudière est de 75 °C et la température ambiante du local est de 12 °C en hiver.
a) Dans quel sens la chaleur se transfère-t-elle ?
b) Citer les trois modes de transfert thermique qui interviennent simultanément dans ce local.
c) Expliquer pourquoi l'isolation du plafond de la chaufferie est prioritaire.
a) La chaleur se transfère de l'eau chaude (75 °C) vers le local (12 °C), puis du local vers l'extérieur.
b) Conduction (à travers les parois et les tuyaux), convection (air chaud qui monte dans le local) et rayonnement (émis par la chaudière et les canalisations chaudes).
c) Par convection naturelle, l'air chaud monte et s'accumule sous le plafond, augmentant les échanges thermiques à travers cette paroi. Isoler le plafond en priorité réduit donc les pertes les plus importantes.
Associer chaque élément d'une installation de chauffage au mode de transfert thermique principal :
| Élément | Mode principal |
|---|---|
| Sèche-serviettes électrique soufflant | ... |
| Plafond chauffant | ... |
| Radiateur infrarouge | ... |
| Ventilo-convecteur | ... |
| Élément | Mode principal |
|---|---|
| Sèche-serviettes électrique soufflant | Convection (forcée par le ventilateur) |
| Plafond chauffant | Rayonnement (60 %) |
| Radiateur infrarouge | Rayonnement (90 %) |
| Ventilo-convecteur | Convection (forcée par le ventilateur) |
Un plombier chauffagiste effectue un diagnostic thermique avec une caméra infrarouge. Il observe des zones jaunes au niveau des coffres de volets roulants.
a) Quel mode de transfert thermique la caméra détecte-t-elle ?
b) Que signifient les zones jaunes ? Quel est le problème ?
a) La caméra détecte le rayonnement infrarouge émis par les surfaces.
b) Les zones jaunes indiquent des températures plus élevées que le reste de la façade : ce sont des ponts thermiques au niveau des coffres de volets roulants, zones mal isolées par lesquelles la chaleur s'échappe.
Expliquer le principe de l'isolation des combles par soufflage de laine de verre en utilisant les notions de conduction et de conductivité thermique.
La laine de verre soufflée emprisonne de l'air immobile entre ses fibres. L'air immobile a une très faible conductivité thermique (\(\lambda = 0{,}026\) W/(m·K)), et la laine de verre elle-même a un \(\lambda\) très faible (\(0{,}035\) W/(m·K)). Cette couche isolante réduit considérablement les transferts de chaleur par conduction entre l'intérieur chauffé et les combles froids, limitant ainsi les déperditions thermiques par la toiture.
Barème : 20 points
Un technicien de maintenance énergétique doit choisir un isolant pour des canalisations d'eau chaude. Voici les caractéristiques de deux isolants :
a) Quel isolant est le plus performant ? Justifier.
b) Pour obtenir la même performance d'isolation, quel isolant nécessitera une épaisseur plus importante ?
c) Calculer le rapport des conductivités et interpréter.
a) La mousse polyuréthane est la plus performante car \(\lambda = 0{,}025 < 0{,}040\). Plus \(\lambda\) est faible, meilleur est l'isolant.
b) La laine de roche nécessitera une épaisseur plus importante pour compenser sa conductivité plus élevée.
c) \(\dfrac{0{,}040}{0{,}025} = \mathbf{1{,}6}\). La laine de roche conduit 1,6 fois mieux la chaleur : il faudrait environ 1,6 fois plus d'épaisseur pour obtenir la même isolation.
Un installateur thermique pose 10 cm de laine de verre (\(\lambda = 0{,}035\) W/(m·K)) dans les combles d'un pavillon. Avant isolation, les déperditions par la toiture représentaient 30 % des pertes totales (estimées à 12 000 kWh/an). Après isolation, elles sont réduites à 5 %.
a) Calculer les pertes par la toiture avant isolation (en kWh).
b) Calculer les pertes par la toiture après isolation (en kWh).
c) Calculer l'économie d'énergie annuelle réalisée (en kWh et en euros au tarif de 0,22 €/kWh).
a) Avant : \(12\,000 \times 0{,}30 = \mathbf{3\,600}\) kWh
b) Après : \(12\,000 \times 0{,}05 = \mathbf{600}\) kWh
c) Économie : \(3\,600 - 600 = \mathbf{3\,000}\) kWh. En euros : \(3\,000 \times 0{,}22 = \mathbf{660}\) €/an.
Un chauffagiste doit conseiller un client entre un convecteur électrique (90 % convection, 10 % rayonnement) et un plancher chauffant (40 % convection, 60 % rayonnement).
a) Expliquer pourquoi le plancher chauffant procure une sensation de confort plus homogène.
b) Expliquer pourquoi le convecteur crée une stratification de température (chaud en haut, froid en bas).
a) Le plancher chauffant émet principalement par rayonnement : il chauffe directement les objets et les personnes de la pièce, sans chauffer l'air en priorité. La chaleur est répartie de manière plus homogène dans tout le volume.
b) Le convecteur fonctionne par convection : l'air chauffé monte au plafond (convection naturelle), créant une couche d'air chaud en haut et d'air froid en bas. Cette stratification est inconfortable.
Expliquer pourquoi une pompe à chaleur peut transférer de la chaleur du milieu froid (air extérieur) vers le milieu chaud (intérieur du logement), alors que le transfert thermique spontané va du chaud vers le froid.
Le transfert thermique spontané va bien du chaud vers le froid. Mais une pompe à chaleur fournit de l'énergie (travail mécanique du compresseur) pour inverser le sens naturel du transfert. Elle puise de l'énergie dans l'air extérieur froid et la transfère vers l'intérieur chaud. Ce processus n'est pas spontané : il nécessite un apport d'énergie électrique.
Un chauffe-eau solaire utilise des panneaux thermiques sur le toit. Identifier les trois modes de transfert thermique intervenant dans son fonctionnement, en précisant à quelle étape chacun intervient.
1. Rayonnement : le Soleil envoie son énergie sous forme de rayonnement infrarouge qui est absorbé par le panneau solaire thermique.
2. Conduction : la chaleur se transmet à travers la paroi métallique du capteur vers le fluide caloporteur qui circule à l'intérieur.
3. Convection : le fluide caloporteur chauffé circule (convection naturelle par thermosiphon ou convection forcée par une pompe) vers le ballon de stockage pour chauffer l'eau sanitaire.
Barème : 20 points
Un installateur thermique doit isoler des canalisations d'eau chaude sanitaire. Voici les caractéristiques de deux isolants :
a) Quel isolant est le plus performant ? Justifier.
b) Pour obtenir la même performance d'isolation, quel isolant nécessitera une épaisseur plus importante ?
c) Calculer le rapport des conductivités et interpréter.
a) La coquille de polyuréthane est la plus performante car \(\lambda = 0{,}023 < 0{,}038\). Plus \(\lambda\) est faible, meilleur est l'isolant.
b) La mousse d'élastomère nécessitera une épaisseur plus importante pour compenser sa conductivité plus élevée.
c) \(\dfrac{0{,}038}{0{,}023} = \mathbf{1{,}65}\). La mousse d'élastomère conduit 1,65 fois mieux la chaleur : il faudrait environ 1,65 fois plus d'épaisseur pour obtenir la même isolation.
Un technicien chauffagiste isole les murs d'une chaufferie avec 8 cm de laine de roche (\(\lambda = 0{,}040\) W/(m·K)). Avant isolation, les déperditions par les murs représentaient 25 % des pertes totales (estimées à 15 000 kWh/an). Après isolation, elles sont réduites à 8 %.
a) Calculer les pertes par les murs avant isolation (en kWh).
b) Calculer les pertes par les murs après isolation (en kWh).
c) Calculer l'économie d'énergie annuelle réalisée (en kWh et en euros au tarif de 0,25 €/kWh).
a) Avant : \(15\,000 \times 0{,}25 = \mathbf{3\,750}\) kWh
b) Après : \(15\,000 \times 0{,}08 = \mathbf{1\,200}\) kWh
c) Économie : \(3\,750 - 1\,200 = \mathbf{2\,550}\) kWh. En euros : \(2\,550 \times 0{,}25 = \mathbf{637{,}50}\) €/an.
Un technicien CVC doit conseiller un client entre un radiateur à inertie (30 % convection, 70 % rayonnement) et un convecteur à air pulsé (95 % convection, 5 % rayonnement).
a) Expliquer pourquoi le radiateur à inertie procure une chaleur plus douce et plus homogène.
b) Expliquer pourquoi le convecteur à air pulsé assèche davantage l'air ambiant.
a) Le radiateur à inertie émet principalement par rayonnement : il chauffe directement les murs, les meubles et les personnes sans surchauffer l'air. La chaleur est répartie de manière homogène et la sensation de confort est plus douce.
b) Le convecteur à air pulsé fonctionne par convection forcée : l'air circule rapidement sur une résistance chaude, ce qui élève fortement sa température et réduit son humidité relative. L'air brassé en permanence accentue la sensation de sécheresse.
Expliquer pourquoi un ballon d'eau chaude solaire peut chauffer l'eau sanitaire grâce à l'énergie du Soleil, en identifiant les trois modes de transfert thermique qui interviennent successivement.
1. Rayonnement : l'énergie solaire arrive sur le capteur thermique sous forme de rayonnement infrarouge et visible, absorbé par la surface noire du capteur.
2. Conduction : la chaleur absorbée par le capteur se transmet à travers la paroi métallique vers le fluide caloporteur qui circule dans les tubes.
3. Convection : le fluide caloporteur chauffé circule (par thermosiphon naturel ou pompe) vers l'échangeur du ballon pour transférer sa chaleur à l'eau sanitaire.
Expliquer pourquoi un réfrigérateur peut transférer la chaleur de l'intérieur froid vers la pièce chaude, alors que le transfert thermique spontané va du chaud vers le froid. Comparer avec le fonctionnement d'une pompe à chaleur.
Un réfrigérateur utilise un compresseur qui fournit de l'énergie mécanique (alimentée par l'électricité) pour forcer le transfert thermique du milieu froid (intérieur du réfrigérateur) vers le milieu chaud (cuisine). Ce transfert n'est pas spontané : il nécessite un apport d'énergie.
Le principe est identique à celui d'une pompe à chaleur : les deux machines utilisent un compresseur et un fluide frigorigène pour inverser le sens naturel du transfert thermique. La différence est l'objectif : le réfrigérateur vise à refroidir l'intérieur, la PAC vise à chauffer l'intérieur du logement.