2nde Mesure d'une température

2nde THERMIQUE

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Thermique : comment caractériser les échanges d’énergie sous forme thermique ?

Objectifs

Il s’agit de consolider la notion de température, à travers sa mesure par différentes techniques, de distinguer les notions de chaleur et de température et de caractériser les effets d’un transfert thermique (variation de la température d’un corps pur - changement d’état d’un corps pur).

L’introduction au module se fait au travers des principaux capteurs de température (thermosondes à résistance : thermistance, thermosonde à résistance de platine Pt100, thermocouple) qui sont mis en œuvre dans de nombreux secteurs industriels, en mettant en évidence les caractéristiques permettant de faire un choix en fonction de l’application industrielle.

C’est aussi l’occasion de se placer dans un contexte historique (histoire des thermomètres, des unités de mesure de température…). 

Capacités 
Connaissances 
Mesurer des températures.
Choisir et utiliser un capteur de température. 
Connaître les échelles de température : Celsius et Kelvin.
Connaître différents types de thermomètres et leur principe de fonctionnement (thermomètre à résistance – thermosonde à résistance de Pt (Pt100) – thermocouple, thermomètres à infrarouge, thermomètre à cristaux liquides).
Vérifier expérimentalement que deux corps en contact évoluent vers un état d’équilibre thermique. Savoir que l’élévation (diminution) de température d’un corps nécessite un apport (une perte) d’énergie.
Savoir que la chaleur est un mode de transfert d’énergie (transfert thermique) entre deux corps de températures différentes.
Savoir que l’énergie échangée sous forme thermique s’exprime en joule. 
 Vérifier expérimentalement que lors d’un changement d’état, la température d’un corps pur ne varie pas.
Calculer l’énergie nécessaire pour effectuer un changement d’état d’un corps pur de masse donnée. 
Savoir qu’un changement d’état nécessite un transfert thermique sous forme de chaleur.

    Module électricité

     Identifier les grandeurs d’entrée et de sortie (avec leur unité) d’un capteur.

     Réaliser et exploiter la caractéristique du dipôle électrique constitué par un capteur, modélisé par la relation U = f(l).

     Utiliser la loi des nœuds, la loi des mailles dans un circuit comportant au plus deux mailles.


     Savoir que la tension du secteur en France est alternative et sinusoïdale, de valeur efficace 230 V et de fréquence 50 Hz.

     Connaître la relation entre U et I pour des systèmes à comportement de type ohmique.

    Module sécurité

     Justifier la présence et les caractéristiques des dispositifs permettant d’assurer la protection des matériels et des personnes (coupe-circuit, fusible, disjoncteur, disjoncteur différentiel, mise à la terre).

     Connaître les équipements de protection individuelle et leurs conditions d’utilisation.
             
             

            Je me positionne en choisissant la (ou les) bonne(s) réponse(s)

            1. Il existe 
            a - 1 état de la matière
            b - 2 états de la matière
            c - 3 états de la matière
            3. La température se mesure avec :
            a - un baromètre
            b - un thermomètre
            c - un voltmètre
            2. La fusion est le changement d'état :
            a - état solide vers état liquide
            b - état liquide vers état gazeux
            c - état liquide vers état solide
            4. Pour mesurer une température, il existe :
            a - 1 unité
            b - 2 unités
            c - 3 unités
            5. Une combustion dégage :
            a - de l'énergie thermique
            b - de l'énergie lumineuse
            c - du feu
            6. l'énergie se mesure :
            a - en joule (J)
            b - en watt (W)
            c - en mètre par seconde (m/s)
            7. L'énergie perdue sous forme de chaleur est une énergie :
            a - chimique
            b - cinétique
            c - thermique
            8. Un panneau photovoltaÏque permet de convertir :
            a - énergie thermique en électrique
            b - énergie mécanique en électrique
            c - énergie solaire en électrique
            9. Qd la glace fond, le nom du chgt d'état :
            a - la sublimation
            b - la fusion
            c - la liquéfaction
            10. 100° C est la température :
            a - d'ébullition de l'eau
            b - de la fusion de l'eau
            c - du corps humain

            A - Mesures d'une température

                    I - Les  échelles de températures

            - Activité 1 page 100

            • a) Définition de la température

              • - La température est une ........................... physique qui se mesure à l'aide d'un .................................. Il existe plusieurs échelles de température.

            • b) Echelle Celsius

              • - L'unité de l'échelle est le degré .................

              • Le  de symbole  est l’unité usuelle.

              • - Le zéro de cette échelle correspond à la ........................................ de ......................................... de l'eau. 

              • - 100° C correspond à la ......................................... d' ........................................ de l'eau au niveau de la mer sous une .......................... .................................. de 1013 hPa

            • c) Echelle Kelvin

              • - l'unité de l'échelle est le  de symbole  

              • - Cette unité est utilisé par les scientifiques. c'est l'unité du système international.

              • - Elle a l'avantage de ne pas contenir de nombres négatifs. Elle commence à ZERO qui est le zéro absolu, elle correspond à l'absence absolu d'agitation thermique et de pression d'un gaz.

            • d) Relation entre les deux échelles

              • Une  de température ΔT à la  valeur en Kelvin qu’en degré Celsius.

              • Lord Kelvin a déterminé -273,15°C comme le zéro absolu

                • - 273,15 °C = 0 K

                • °C  =  273,15  K

                • 100 °C = 373,15 K


            Température en KELVIN = Température en degrés CELSIUS + 273,15.             

            Exercices à faire : QCM (1 à 3) page 106 et exercices 1, 2, 9 et 10 page 107


                    II - Les capteurs de températures

            Mettre en oeuvre un capteur de températures :

                - thermomètre à résistance de platine activité 3 Page 102

            Matériel :

            • une bobine de cuivre (à défaut de platine),

            • un ohmmètre,

            • une source de chaleur (sèche-cheveux ou lampe à alcool).

             

            a. Relier les extrémités de la bobine de cuivre aux bornes de l’ohmmètre réglé sur un calibre approprié.

            b. Relever la valeur de la résistance.

            c. Chauffer la bobine de cuivre en l’approchant de la source de chaleur pendant 30 secondes.

            d. Relever la nouvelle valeur affichée par l’ohmmètre.

            e. Renouveler les étapes c et d.

            f. Ranger le poste de travail.

            Donner le nom de l'élément chimique Pt. ......................
            La valeur de la résistance dépend de .

            Donner l’unité et le symbole de la résistance électrique R. .........................

            Plus on chauffe la bobine plus la résistance .
            Le thermomètre à résistance de platine calcule la température qu’il affiche en fonction de  du fil de platine.
                

            Les sondes à résistance de platine sont des composants électroniques qui permettent d'obtenir la température grâce à la mesure de la résistance électrique.


            - capteur de température thermocouple activité 2 page 101 

                Fabrication d'un thermomètre

            Matériel :

            • un tube à essai,

            • deux cristallisoirs,

            • un bécher,

            • 100 mL d’alcool à 90 degrés,

            • du colorant pour l’alcool,

            • un bouchon à trou et un tube de verre,

            • de la glace pilée,

            • de l’eau bouillante,

            • un marqueur,

            • une règle graduée,

            • un thermomètre,

            • une plaque chauffante ou un système de chauffage.

             

            a. Prendre un tube à essai, le remplir d’alcool dans lequel on aura préalablement ajouté un colorant.

            b. Boucher le tube avec un bouchon à trou dans lequel on enfonce un tube de verre.

            c. Plonger le tube à essai dans un cristallisoir contenant de la glace pilée. Après 2 minutes, relever avec un marqueur la hauteur du niveau d’alcool sur le tube de verre : il s’agit du « zéro » du thermomètre.

            d. Plonger maintenant le tube dans de l’eau bouillante. Au bout de 2 minutes environ, relever au marqueur le niveau atteint par l’alcool : il s’agit de la graduation 100, si on considère que l’eau bout à 100 °C (ceci peut varier suivant la pression atmosphérique et l’altitude).

            e. Avec une règle, mesurer le milieu des deux repères notés au marqueur : il s’agit de la température 50 °C. Avec la règle, partager ensuite l’écart entre les deux repères initiaux en 10 parties égales pour avoir un thermomètre gradué de 10 en 10, puis chaque partie de 10 °C sera à nouveau partagée en 10, pour avoir des graduations en degrés.

            f. Avec un thermomètre témoin, vérifier si le thermomètre est fiable en plongeant le thermomètre témoin et le thermomètre ainsi obtenu dans un bécher contenant de l’eau à température ambiante.


            Outre le thermomètre à alcool il existe différentes sondes (ou capteurs) capables de mesurer la température en transformant l'effet de leur réchauffement ou de leur refroidissement en signal électrique

                • Le thermomètre à résistance de platine est un dispositif permettant de mesurer la température, basé sur le fait que la résistance électrique du platine augmente en même temps que la température de façon quasi-linéaire. Les sondes les plus couramment utilisées dans l’industrie sont de type Pt100 (100 Ω à 0 °C).

                • Un thermocouple est un couple de matériaux exploitant l’effet Seebeck, découvert en 1821 pour mesurer la température. Il est constitué de deux fils métalliques de natures différentes dont chaque extrémité est jointe. Lorsque ces jonctions sont soumises à des températures différentes, il se produit une différence de potentiel qui génère un signal électrique dont l’intensité est convertie en température. Ce thermomètre est très utilisé dans l’industrie de par son faible coût.

                • Les thermomètres infrarouges utilisent le rayonnement infrarouge émis par l’objet dont on veut la température. Un contact physique direct n’est pas utile. Un objet émet un rayonnement naturel proportionnel à sa température. Le rayon infrarouge est capté par le détecteur du thermomètre qui transforme ce rayonnement en un signal numérique. Il est très utilisé notamment en cuisine et dans les métiers du bâtiment (pour détecter les fuites thermiques).

                • Un thermomètre à cristaux liquides possède une partie sensible constituée de cristaux liquides thermochromiques (dont la couleur change selon la température). On le rencontre dans le secteur médical (thermomètre frontal), pour les aquariums, pour les réfrigérateurs et en laboratoire de chimie.


                On recherchera la définition de chacun de ces capteurs de températures. (internet) choisit un thermomètre en fonction des conditions de mesure et des spécificités du thermomètre (gamme mesurée, précision, fiabilité....)


            B - Echanges d'énergie sous forme thermique

                    I - Transfert d'énergie thermique et chaleur

            a) Le temps froid, la neige et la glace peuvent être amusants. Parfois, par défi, des enfants se retrouvent bloqués à des objets métalliques, la langue collée !

            b) Pour préparer un thé, il faut maîtriser la température de l’eau et le temps d’infusion. Une des méthodes les plus utilisées est de verser de l’eau chaude (environ 80 °C) dans une théière. Une protection est utilisée ensuite pour verser le thé et éviter les brûlures en saisissant le manche de la théière.

            On se propose d’étudier l’échange de chaleur entre l’eau chaude et la théière.


            L’élévation de la température d’un corps nécessite un apport d’énergie

            Deux corps en contact évoluent vers un état d’équilibre thermique.

            La chaleur est un mode de transfert d’énergie.

            La quantité de chaleur Q donnée ou fournie s’exprime en joule de symbole J.

             

            La chaleur fournie à un corps peut avoir deux effets différents :

            – une élévation de la température du corps ;

            – un changement d’état du corps.

             

             

                    II - Les changements d'état

            a) Variation de la température lors d'un changement d'état

            Matériel :

            • deux béchers,

            • un calorimètre,

            • 100 mL d’eau chaude (40 à 50 °C),

            • de la glace pilée,

            • du sel,

            • deux sondes thermométriques + une console EXAO et un ordinateur.

             

            a. Remplir un bécher d’un mélange de glace pilée et de sel et le placer dans un calorimètre à moitié rempli d’eau chaude (40 à 50 °C).

            b. Mettre dans chacun des récipients une sonde thermométrique reliée à une console EXAO.

            c. Lancer l’acquisition afin d’obtenir les deux courbes de température.


            Matériel

            • 1 ordinateur
            • 1 console EXAO
            • 2 capteurs de température
            • 1 bécher 100 ml
            • 1 calorimètre
            • mode de chauffage

            2. Réaliser

            Réaliser le protocole expérimental décrit ci-dessous.

            On modélise la théière par de l’eau à température ambiante contenue dans un calorimètre.

            a. Faire chauffer de l’eau à environ 80 °C.

            Pendant ce temps :

            – Paramétrer l’acquisition :

            T 1 et T 2 et en fonction du temps (10 min).

            – Remplir à moitié le calorimètre d’eau à température ambiante.

            b. Verser environ 80 mL d’eau chaude dans le bécher.

            c. Placer rapidement un capteur de température dans chaque partie.

            d. Lancer l’acquisition et agiter régulièrement.

            Courbes obtenues (cf. fichier Excel onglet 1).


            Lors d’un changement d’état, la température d’un corps pur (un corps pur est composé d’un seul type d’atomes ou de molécules) ne varie pas.

             

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