\documentclass[class=book,preview=false,crop=false]{standalone}

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\setcounter{chapter}{14}
\begin{document}
\chapter{Transferts thermiques (secondaire)}
\textit{Proposé initialement par Lucile \textsc{Bridou}.}

\section*{Ressources utilisées}
\begin{itemize}
\item Hachette, enseignement spécifique TS, 2012
\item Microméga TS 2012
\item Nathan 1\re STI2D/STL
\item Bellier
\end{itemize}

\section*{Pré-requis}
\begin{itemize}
\item Énergie d'un système (interne, mécanique) [1\er STI2D]
\item Capacité thermique [1\er STI2D]
\item Rayonnement électromagnétique [seconde]
\item Incertitudes [1\re]
\item Résistance équivalente en électricité [1\re STI2D]
\end{itemize}

\section*{Éléments imposés possibles}
Glaçon dans une boisson fraîche à la terrasse d'un café ; isolation d'une maison ; étude du réfrigérateur ; analogie électro-thermique.

\section*{Introduction pédagogique}
\begin{description}
\item[Niveau] 1\re STI2D, thème « habita »
\item[Difficultés] Comprendre à quelle échelle se fait chaque type de tranfert, signes des transferts énergétiques dans un bilan
\item[Travaux dirigés] Études de tranferts thermiques dans une salle de cours/une pièce ; étude de document (chauffe-eau solaire, réfigérateur).
\item[Travaux pratiques] Calorimétrie, mesure de résistance thermique.
\end{description}

Niveau de première STI2D, dans le grand thème habitat, un thème très concret.
Ici on va continuer à utiliser des connaissances des élèves sur des exemples du quotidien : les notions utiles ayant été vues au cours d'avant.

Pour que ces notions restent faciles à exploiter, on reste dans des applications réelles ; c'est à ça aussi que nous amène l'élément imposé.

Première partie générale sur les modes de tranferts ainsi que sur le flux et la résistance thermiques (exemple sur l'isolation d'une maison).
Deuxième partie sur les bilans d'énergie, où l'on appuiera sur la méthode utilisée, que l'on appliquera directement.

Difficultés gérées en insistant sur des schémas et tableaux récapitulatifs.
TD pour approfondir, approche documentaire pour aller vers les machines thermiques.
En TP, refaire l'expérience du calorimètre.

\section*{Introduction}
Dans une leçon précédente, l'énergie interne dans laquelle se cache deux termes : travail et tranfert thermique.
C'est ce dernier qu'on va étudier aujourd'hui.
\remarque{Suivant le niveau, donner des caractéristiques des deux termes : ordonné ou désordonné, \textit{etc.}}

Ressenti tous les jours : par exemple, quand on marche pieds nus sur du parquet ou sur du carrelage... d'autres questions : comment fond un glaçon, pourquoi le soleil nous réchauffe, comment isoler une maison...

\objectifs{
  Comprendre les différents types de tranferts thermiques ; savoir faire un bilan d'énergie et tirer différentes grandeurs physiques (flux, résistance...).
}

\section{Tranferts thermiques}
\subsection{Les différents modes de tranfert}
\projection{Différents types de tranferts : conduction thermique à l'échelle microscopique, Hachette TS spécifique.
Seconde slide avec diffusion de l'agitation thermique...}

\experience{Tremper différentes barres métalliques de l'eau chaude.}
On observe que la barre à l'air libre voit sa température augmenter, c'est la conduction thermique : transfert thermique par contact de proche en proche, sans transport de matière.

En mesurant la température au bout de chaque barre, la température est plus élevée pour celle de cuivre que celle d'aluminium que celle de bois !
La conduction va donc dépendre du matériau, ce qui est quantifié par la conductivité :
\projection{Conductivité du cuivre, de l'aluminium, du verre, du béton et du bois. Source : ?}

Cependant, sans toucher le feu, si on s'en approche, on sent quand même la chaleur, pourquoi ? Un deuxième type de tranfert.

\experience{Tube en U coudé : à une extrémité, du colorant, et on place un briquet.
  On observe que le colorant remonte et se déplace.}
L'eau chaude remonte et laisse place à l'eau froide, ce qui s'explique par la convection : transfert thermique par mouvement macroscopique de la matière au sein d'un fluide.

\remarque{Attention à la subtilité : l'eau se déplace par différence de densité entre eau chaude et froide ! Mais elle déplace la chaleur en se déplaçant...}

Enfin, pour comprendre pourquoi le soleil chauffe notre peau, il faut s'intéresser au dernier tranfert : le transfet par rayonnemment électromagnétique.
Tout corps chauffé à une température T émet un rayonnement qui cause un tranfert thermique.
On peut quantifier ce tranfert thermique par la loi de \textsc{Stephan}
\begin{equation}
  \phi = \sigma S T^4.
\end{equation}

Comprendre comment ces transferts agissent dans des cas réels.
Pour cela, il faut définir deux notions : le flux thermique et la résistance thermique.

\subsection{Flux et résistance thermiques}
\projection{Flux thermique à travers une paroi}

\begin{description}
\item[Flux thermique] Énergie transférée à une surface à ...
  \begin{equation}
    \phi = \frac{Q}{\Delta t}
  \end{equation}
  
\item[Résistance thermique] qui décrit le fait qu'un matériau s'oppose au transfert thermique.
  \begin{equation}
    R_{th} = \frac{e}{\lambda e}
  \end{equation}
\end{description}

On a alors :
\begin{equation}
  \phi = \frac{\Delta T}{R_{th}}.
\end{equation}
Formule que vous connaissez pour l'électricité avec la résistance électrique où $I = U/R$.
L'intensité correspond au flux et la tension correspond à la différence de température.

On retrouve alors les mêmes lois d'association des résistances ! En série, par exemple, avec deux murs...
\exemple{Comparaison entre un simple et un double vitrage.

  Dans le premier cas, une vitre d'épaisseur $e = \SI{4}{\centi\meter}$ et une surface de $\SI{1}{\meter^2}$

  Pour un double vitrage, supposons qu'on veuille la même épaisseur totale : deux vitres de \SI{1}{\centi\meter}.
La résistance totale est la somme des résistances, qui est bien plus importante que dans le cas du simple vitrage (faire les applications numériques...)}


On va maintenant essayer de comprendre comment relier les notions d'énergie interne et de tranferts thermiques.

\section{Bilan d'énergie}
\subsection{Méthode}
\projection{Bilan d'énergie, schéma !}
\begin{enumerate}
\item Définir le système (bulle du milieu, système macroscopique).
\item Identifier les différents transferts thermiques et travaux mis en jeu (reçus ou cédés).
\item Repérer le sens des transferts et leur attribuer un signe.
Lorsque le travai ou transfert thermique est reçu (resp. cédé) sera compté positif (resp. négatif).
\item Conservation de l'énergie :
  \begin{equation}
    \Delta E  + \Delta U = W + Q
  \end{equation}
\end{enumerate}

Mettre en pratique cette méthode sur un exemple.
\subsection{Un glaçon dans un verre...}
\projection{Verre avec glaçon, étapes de la méthode...}

L'énergie à fournir est la chaleur latente de fusion, pour faire fondre le glaçon.
Comment la déterminer.

\begin{enumerate}
\item Le glaçon.
\item Tranfert thermique du pastis chaud vers de glaçon.
\item Le glaçon gagne un tranfert thermique (transfert du chaud vers le froid).
\item $\Delta U = Q$
\end{enumerate}

Modéliser cette situation par une expérience :
\experience{Calorimètre dont la capacité thermique a été mesurée précédemment.

  On y met \SI{250}{\gramme} d'eau à \SI{40}{\celsius} ainsi qu'un glaçon à la température \SI{-23}{\celsius}, que l'on pèse par différence de masse avant et après glaçon.

  On attend la fusion complète du glaçon ainsi que le retour à l'équilibre, on notera alors la température finale $T_f$.

}

Développement du calcul :

Système : eau + glaçon + calorimètre, isolé, $\Delta U = 0$.
Le tranfert thermique est donc nul.

Sous-systèmes : 1 (eau + calorimètre) et 2 (glaçon).
$\Delta U_1 = m_{eau}c_{eau}\Delta T_1 = Q_1$
et
$\Delta U_2 = m_{glaçon}c_{eau}\Delta T_2 + m_{glaçon}l_{fus} + m_{glaçon}c_{eau}\Delta_2 = Q_2$
\remarque{Avec les bonnes différences de températures... penser à faire des découpages thermodynamiques avant d'expliciter les calculs !}

On peut alors réarranger l'expression pour trouver :
\begin{equation}
  l_{fus} = - ... \text{faire le calcul}.
\end{equation}

\projection{Slide avec calorimètre et données numériques !}

Valeur tabulée : \SI{3.34e-5}{\joule\per\kilo\gramme} où les différences par rapport à l'expérience seraient dues à l'agitation manuelle apportée ainsi qu'au fuites du calorimètre.
\section*{Conclusion}
Reprendre la leçon, revenir sur les objectifs.

Ouverture sur la possibilité d'étudier des machines thermiques ou l'isolation d'une maison par exemple.


\section*{Questions}

\section*{Questions}
\begin{longtable}{p{6cm}p{7cm}}
  \textbf{Questions}&\textbf{Réponses}\\
  \cline{1-2}
  \cline{1-2}
  Définition de ce que vous appelez la chaleur ? & \\
  Comment expliquer physiquement ce qu'est l'enthalpie ? & $H = U + PV$\\
  Est-ce qu'il est pertinent de parler d'enthalpie dans cette leçon ? & Non, pas au programme, on utilise seulement le terme de chaleur latente... \\
  Marches sur du parquet ou du carrelage, comment vous y avez répondu ? & Ça revient à la notion de flux thermique, le flux thermique avec du carrelage sera plus important qu'avec du bois, on va céder plus facilement du transfert thermique au carrelage. \\
  Quelle quantité physique quantifie la sensation de chaud ? & Modèle conducto-convectif ici ?? \\
  Concernant l'image où l'on voit quelqu'un-e s'approcher du feu avec une barre. Historiquement, ça vous rappelle quelque chose cette barre qu'on met dans du feu, une expérience scientifique connue ? & \\
  Sur la pertinence de ce schéma... il a des défauts, quels pourraient-être ces défauts, physiquement et pédagogiquement ? & Chaleur ressentie en fait d'abord à cause de la convection ; \\
  C'est vraiment de la convection ? & Déplacement d'air chaud... \\
  Qu'est-ce que c'est si c'est pas la convection ?? & Rayonnement ! Comme les radiateurs...\\
  Concernant l'expérience avec l'eau chaude, il se passerait quoi dans l'ISS ? & Pas de notion de gravité ? \\
  Est-ce que c'est possible de faire bouillir de l'eau dans l'ISS & \\
  Quelques éléments physiques sur le rayonnement d'équilibre, le corps noir... & \remarque{À reprendre clairement, \textsc{Hecht} p. 1118} \\
  À un niveau secondaire, d'où vient l'existence du flux électrique ? Comparer les situations... & Différence de potentiel pour la différence de température, le potentiel électrique (relié au champ par un gradient, comme dans la loi de \textsc{Fourier} pour la température !)\\
  Définition du flux électrique ? & \\
  D'où vient l'énergie là dans le pastis & \\
  Qu'est-ce qui est le plus facile : refroidir son pastis avec de l'eau froide à \si{0}{\celsius} ou la même quantité de glace à \si{0}{\celsius} ? & \\
  Pour l'expérience de calorimétrie, comment évaluez-vous les incertitudes ? & Type A pour la capacité du calorimètre. \\
  Concrètement, comment vous feriez les incertitudes de types A ? & Moyenne et écart-type... revoir.
\end{longtable}

\section*{Commentaires}
Erreur tout au long de la leçon : terminologie et vocabulaire...
Au démarrage de la leçon, dire qu'on va faire des tranferts d'énergie, sous forme miscroscopique.
Il est essentiel de séparer énergie, température et chaleur. (à ajouter aux difficultés !)
Chaleur est un mode de transfert d'énergie sous forme microscopique.

Choix du plan et des exemples.
Le plan tient la route. Autre façon, faire la résistance au moment de la conduction, puis enchaîner sur les autres modes de tranfert.
Sur les exemples, ça manque d'originalité.
Use et abuse de la physique de tous les jours que tu as vendu au début. 

L'élément imposé met l'accent sur le changement d'état.
Donc transfert thermique sans forcément de variation de température.
Confusion sur d'où vient le tranferts : de l'air ou du liquide ?
Ce dont il fallait parler, c'est le rôle du changement d'état.
Attention, bilan avec $\Delta U$, pas possible ici... Il faut parler d'enthalpie, mais comme on ne peut pas, il faut faire autrement !
« La contribution pertinente au tranfert thermique s'écrit telle que... »
Il ne faut pas hésiter à prendre des pincettes puis attendre les questions pour préciser...

Sur les manipulations : les incertitudes, tu as très bien répondu, mais il faut le faire pendant la leçon !
En particulier si on avance dans les calculs, type A ou type B.

Suggestions pour la leçon :
Au niveau de la forme, avec le jury, le ton doit être un peu moins professoral qu'avec des élèves.
Avec les élèves, insister sur le story-telling de la physique du quotidien !

Suggestions sur les questions :
L'enthalpie permet d'intégrer le fait que les matériaux se dilatent.
Autre question qu'on peut poser : second principe utilisé dans la leçon ?
Sur la différence parquet/carlage, la quantité est l'effusivité, une combinaison entre diffusivité, conductivité...
L'expérience de la barre, c'était un problème fondamental en métallurgie.
C'est cette expérience que \textsc{Fourier} a utilisé pour dériver l'équation de la chaleur et pour introduire la transformée de \textsc{Fourier}.
Exemple à double tranchant car on a aussi un transfert entre la flamme et le bout de la barre (rayonnement !).
Sur les associations de résistances, c'est une partie où traditionnellement on s'ennuie... contextualiser plus, faire des ordres de grandeur, ce qu'on gagne à augmenter en épaisseur ou à changer de matériau, en ajouter... Essayer de faire plusieurs applications numériques !

\end{document}