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Conduction et convection – tiges métalliques, parois multicouches, courants de convection

PhysiqueThermodynamique et gaz17–18 ans

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Trois expériences virtuelles sur les transferts thermiques. A : chauffez une extrémité d'une tige (cuivre, aluminium, laiton, fer, acier ou verre), chronométrez la chute des punaises collées à la cire et suivez le profil de température et les flux entrant et sortant jusqu'au régime permanent P = kAΔT/L. B : une paroi d'au plus trois couches en série, avec la résistance thermique R = e/(λA), le flux thermique Φ = ΔT/R et la température à chaque interface. C : courants de convection dans un bécher d'eau avec un cristal de permanganate de potassium et dans une boîte à fumée avec une bougie, en mesurant le temps mis par le colorant ou la fumée pour faire le tour.

Leçon : Conduction thermique (loi de Fourier, résistance thermique) et convection

Ce qu’elle montre

La conduction transmet l'énergie dans un solide grâce aux vibrations des particules et, dans les métaux, au mouvement des électrons libres ; le flux à travers une barre ou une plaque vaut P = kAΔT/L (loi de Fourier), donc les bons conducteurs ont une grande conductivité thermique k. Des couches en série additionnent leurs résistances thermiques R = L/(kA), comme des résistors dans un circuit. Dans un fluide, les zones chaudes se dilatent, deviennent moins denses et montent tandis que le fluide froid descend : c'est un courant de convection.

Mode d’emploi

Dans A. Conduction dans une tige, choisissez le Matériau, appuyez sur Commencer à chauffer et notez quand chaque punaise tombe ; utilisez Nouvelle mesure pour comparer les matériaux, la Longueur L ou le Diamètre d, et décochez Tige calorifugée pour voir les pertes latérales. Dans B. Paroi multicouche, choisissez chaque couche et son épaisseur. Dans C. Convection, appuyez sur Allumer le bec et Lâcher un cristal de KMnO₄, ou passez le Fluide à la boîte à fumée et appuyez sur Allumer la bougie et Ajouter le papier fumant.

Paramètres modifiables

  • Expérience A. Conduction dans une tige, B. Paroi multicouche, C. Convection
  • Matériau de la tige Cuivre, Aluminium, Laiton, Fer, Acier inoxydable, Verre
  • Longueur de la tige 20–50 cm
  • Diamètre de la tige 0,5–3 cm
  • Température de l'extrémité chaude 40–100 °C
  • Tige calorifugée
  • Épaisseur de la couche 2 de la paroi (isolant) 0–30 cm
  • Fluide Eau dans un bécher, Air dans une boîte à fumée
  • Position de la source de chaleur À gauche, Au centre, À droite
  • Puissance de la source de chaleur 20–200 W

Questions à explorer

  1. Pourquoi la punaise à 5 cm tombe-t-elle en premier, et pourquoi certaines ne tombent-elles jamais ?
  2. En régime permanent, pourquoi le flux sortant de la tige est-il égal au flux entrant ?
  3. Pourquoi le colorant violet monte-t-il au-dessus de la flamme et redescend-il de l'autre côté ?

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