Transferts thermiques et confort thermique
Comprendre les trois modes de transfert thermique (conduction, convection, rayonnement). Calculer la quantité de chaleur à fournir pour élever la température d'un corps avec Q = m·c·ΔT. Justifier le choix d'une isolation dans un EHPAD ou une crèche.
- →Distinguer conduction, convection et rayonnement
- →Appliquer Q = m·c·ΔT pour calculer une énergie thermique
- →Calculer un temps de chauffage à partir de la puissance
- →Évaluer l'efficacité d'une isolation (résistance thermique R)
- →Justifier un choix d'isolation en EHPAD/crèche
01Les trois modes de transfert thermique
Conduction, convection, rayonnement.La chaleur se propage de trois manières : par conductionà travers un solide. Réponse : conduction dans les solides (cuillère qui chauffe), par convectionRéponse : convection dans les fluides (air chaud qui monte), et par rayonnementinfrarouge. Réponse : rayonnement (sans support matériel — chaleur du soleil, d'un feu).
Un mur de bâtiment combine les trois modes : conduction à travers la brique, convection des deux côtés (air ambiant), rayonnement de la surface chaude vers les objets.
02Quantité de chaleur Q = m·c·ΔT
Capacité thermique massique c.La capacité thermique massique d'un corps est l'énergie nécessaire pour élever de 1 °C la température d'1 kg de ce corps. Pour l'eau : c = 4 180≈ 4 200 J/(kg·°C). Réponse : 4 180 J/(kg·°C). Pour l'air : c ≈ 1 005 J/(kg·°C). Pour l'huile : c ≈ 2 000 J/(kg·°C).
Pour chauffer 5 kg d'eau de 20 °C à 80 °C : Q = 5 × 4 180 × (80 − 20) = 1 254 000en joules. Réponse : 1 254 000 J = 1 254kJ. Réponse : 1 254 kJ.
- 1Calculer l'énergie Q nécessaire avec Q = m·c·ΔT.
- 2Identifier la puissance P de l'appareil (en watts = J/s).
- 3Utiliser P × t = Q ⇒ (en secondes).
- 4Convertir en minutes ou heures si nécessaire (en supposant un rendement de 100 %, sinon majorer).
03Isolation thermique d'un bâtiment
Résistance thermique R.La résistance thermique R d'une paroi mesure sa capacité à limiterfreiner. Réponse : limiter le passage de la chaleur. Unité : m²·K/W. Plus R est grand, mieux la paroi isoleRéponse : isole. Une bonne isolation murale a R ≥ 3,7 m²·K/W (norme RE2020).
| Matériau | Conductivité λ (W/(m·K)) | Isolant ? |
|---|---|---|
| Aluminium | 230 | nonRéponse : non (conducteur) |
| Béton | 1,5 | non |
| Brique | 0,8 | faiblement isolant |
| Laine de verre | 0,04 | ouitrès bon. Réponse : oui |
| Polystyrène | 0,035 | oui (très bon) |
| Air immobile | 0,025 | oui (le meilleur — sauf convection) |
Exercices
Exercice 1— Bain à 37 °C pour bébéOuvrir
Pour préparer le bain d'un nourrisson (32 L à 37 °C), une auxiliaire mélange de l'eau à 15 °C et de l'eau à 60 °C. 1) Calculer la quantité d'énergie Q à apporter à 32 kg d'eau pour passer de 15 °C à 37 °C. 2) Si le chauffe-eau a une puissance de 2 200 W, combien de temps faut-il ?
✓ Correction
1) Q = 32 × 4 180 × 22 = 2 943 kJ. 2) t = Q / P = 2 943 000 / 2 200 ≈ 1 338 s ≈ 22 min 18 s.
Exercice 2— Comparaison de deux isolantsOuvrir
Pour isoler un mur de 20 m² de surface, on hésite entre 10 cm de laine de verre (λ = 0,04 W/(m·K)) et 12 cm de polystyrène (λ = 0,035 W/(m·K)). La résistance thermique R = e / λ, où e est l'épaisseur en mètres. 1) Calculer R pour chacun. 2) Quel isolant est le meilleur ?
✓ Correction
1) R(laine) = 0,10 / 0,04 = 2,5 m²·K/W. R(polystyrène) = 0,12 / 0,035 ≈ 3,43 m²·K/W. 2) Le polystyrène 12 cm isole mieux (R plus grand). Mais la laine de verre reste utilisée pour son meilleur comportement au feu et son moindre impact environnemental.