Exercices Corriges p - 365 à 374.Ch.14. Transferts Macroscopiques D Energie PDF

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Thème2 : Comprendre. Lois et modèles. Energie et développement durable P : 1

EXERCICES du Ch.14. Transferts macrosco

EXERCICES CORRIGES p : 365 à 374 .Ch.14. TRANSFERTS MACROSCOPIQUES Ch.14. N°13 p : 365 : Calculer une variation d'éner gie interne On considère un système qui échange de l'énergie avec l'extérieur. On a représenté sur le schéma ci-contre ces transferts. On donne |W| = 120 J, |Q1| = 100 J et |Q2| = 200 J. 1. Quelles sont les causes possibles d'une variation de l'énergie interne d'un système? 2. Préciser les signes des transferts d'énergie W, Q 1 et Q 2. Justifier la réponse. 3. Quelle est la variation de l'énergie interne du système ? 1. L’énergie interne d’un système peut varier si le système échange avec l’extérieur de l’énergie par travail ou par transfer 2.Les flèches indiquent le sens du transfert énergétique. W et 10sont reçus par le système, donc W > 0 et Q1 > 0. Le système perd Q2 par transfert thermique, donc Q2 < 0. 3.La variation d’énergie interne est : U = W + Q1+ Q2 = 120 + 100 – 200 = + 20 J. L’énergie interne du système augmente de 20 J. Comment s'effectuent les transferts thermiques ? N°14 p : 365 : Identifier des modes de transferts t hermiques Certaines douches solaires sont constituées d'un sac plastique noir dans lequel on place de l'eau et que l'on expose au Soleil Identifier le mode de transfert thermique : a. du Soleil vers le sac plastique; b. du sac plastique vers l'eau qu'il contient; c. dans l'eau contenue dans le sac plastique.

a.Le transfert thermique du Soleil vers le sac se fait par rayonnement. b.Le transfert thermique du sac vers l’eau se fait par conduction. c.Le transfert thermique dans l’eau se fait par convection. N°15 p : 365 : Illustrer des modes de transferts th ermiques En été et par beau temps, l'eau d'une piscine est à la température de 25 °C. La température de l'air est de 30 °C et celle du sol 17 °C. Dans cette situation, donner un exemple où un transfert thermique a lieu : a. par conduction; b. par convection; c. par rayonnement.

a. Il y a des transferts thermiques par conduction entre la piscine et le sol qui l’entoure, entre l’eau de la piscine contact. b. Il y a des transferts thermiques par convection dans l’eau de la piscine, dans l’air. c. Il y a des transferts thermiques par rayonnement entre le Soleil et la piscine, et entre le Soleil et le sol. N°16 p : 365 : Reconnaître un mode de transfert Lors de la découpe d'une plaque métallique à l'aide d'une scie à métaux, on constate un échauffement important de la plaque 1. Comment varie l'énergie interne de la plaque métallique lors du découpage? 2. Par quel mode de transfert subit-elle cette variation d'énergie interne?

1. La température de la plaque augmente, son énergie interne également. 2. La plaque reçoit un travail mécanique de la force de frottement de la scie sur la plaque. Ce travail augm la température de la plaque. Il y a ensuite un transfert thermique par conduction dans toute la plaque. N°17 p : 365 : Calculer et exploiter un flux thermi que On peut trouver sur le marché des casseroles en aluminium et d'autres en cuivre. Pour déterminer lequel de ces deux matériaux est celui qui transfère l'énergie thermique le plus rapidement, Marc utilise de dimensions, l'une en cuivre et l'autre en aluminium. Il maintient un écart de température constant et égal à 5,0 °C entre les deux faces planes et parallèles de la plaque de cuivre. Le trans durée de 15 min, entre les deux faces est QCu = 4,4 x 106 J. Ensuite, il procède de même avec la plaque d'aluminium dont la résistance Rth Al = 1,7 x 10-2 K.W -1. Donnée : Le flux thermique a pour expression : = Q = |T1 –T2| t Rth

1. Quel est le flux thermique qui traverse : a. la plaque de cuivre ? b. la plaque d'aluminium ? 2. Pour des dimensions identiques, quel est le matériau qui transfère le plus rapidement l'énergie thermique ? 1. a. Le flux thermique qui traverse la plaque de cuivre est:

=Q

6

3

= 4,4 x 10 = 4,9x10 W t 15 x 60 b. Le flux thermique qui traverse la plaque d’aluminium est : Al = | T| = 5,0 = 2,9 x 102 W Rth_Al 1,7 x 10-2 2. Pour des dimensions identiques, le flux thermique qui traverse une plaque d’aluminium est moins important une plaque de cuivre. Un flux thermique est l’énergie transférée à travers une surface par unité de temps. Le cuivre est donc le mé rapidement l’énergie thermique. Cu

Cu

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N°18 p : 365 : Calculer une énergie thermique trans férée La fenêtre d'une chambre est constituée d'un simple vitrage. La température de la chambre est Ti = 19 °C et la température extérieure Te = -1 °C. Ces températures sont considérées const 1. Schématiser la situation en précisant le sens du transfert thermique à travers la vitre. 2. Calculer la valeur du flux thermique à travers la vitre. 3. Quelle est l'énergie thermique transférée en 1,25 h? Données: Le flux thermique s'écrit = Q = |T1 –T 2| ; La résistance thermique de cette vitre est : Rth = 5,0 x 10-3 K.W-1. t Rth 1. Le flux thermique est orienté de la source chaude (l’intérieur) vers la source froide ( 20 2. Le flux thermique s’exprime par : = T1 –Te | = (19 – (–1)) = –3 –3 5,0 x 10 5,0 x 10 Rth_vitre 3 Le flux thermique à travers la vitre est de 4,0 x 10 W. 3. L’énergie thermique transférée s’écrit : Q = · t avec t exprimé en seconde. En 1,25 h, elle a pour valeur : Q = 4,0 x 103 x 1,25 x 3 600 = 1,8 x 10 7 J.

Comment établir un bilan d'énergie ? Ch.14. N°19 p : 366 : Établir un bilan énergétique Un cumulus électrique est une réserve d'eau chauffée par un conducteur ohmique. En l'absence de chauffage, la température contient diminue au fil des heures. On souhaite faire le bilan énergétique de l'eau contenue dans le cumulus. 1. Définir le système étudié. 2. Relever la nature des transferts énergétiques entre ce sys 3. Repérer le sens de ces transferts et leur attribuer un signe. 4. Présenter le bilan énergétique à l'aide d'un schéma. 1.Le système étudié est l’eau contenue dans le cumulus. 2.La résistance, est traversée par un courant électrique, transfère à l’eau de de l’énergie par le travail électrique éW lec. La température de l’eau diminue, donc elle perd de l’énergie Q par transfert thermique. 3. L’eau reçoit de l’énergie par travail, donc W > 0 et en perd par transfert thermique, Q < 0. L’énergie re9ue par r 4. .

POUR S’ENTRAINER. Ch.14. N°20 p : 366. Des nombres astronomiques à l 'échelle microscopique ! COMPÉTENCES : Calculer; faire preuve d'esprit critique.

En 2011, on dénombre 7,0 milliards d'êtres humains sur Terre. 22 Le nombre d'étoiles de la Voie lactée est évalué à 234 milliards et celui d'étoiles dans l'Univers à 7 x 10 . 1. Que représente la constante d'Avogadro ? 2. Convertir en moles les nombres cités ci-dessus. 3. Pourquoi avoir introduit la quantité de matière en chimie ? 23 -1 Donnée : NA = 6,02 x 10 mol .

1. La constante d’Avogadro représente le nombre d’entités présentes dans une mole de cette entité (atomes, ions 2. La conversion s’effectue en divisant par la constante d’Avogadro : – n(étoiles,Voie Lactée) = 3,89 x 10–13 mol ; – n(étoiles, Univers) = 0 – n(humains) = 1,2 x 10–14 mol ; 3. Le nombre d’entités microscopiques présentes dans un système macroscopique étudié en chimie est gigantesq fois plus d’atomes dans une mole que d’étoiles dans tout l’Univers). Travailler avec des quantités de matière per plus commodément des nombres. Cette grandeur est adaptée à l’échelle macroscopique. N°21 p : 366. Chacun son domaine et les unités ser ont bien gardées ! COMPÉTENCES : Extraire des informati Suivant que le système étudié est défini à l'échelle microscopique ou à l'échelle macroscopique, on n'utilise pas toujours les mêmes unités. Par exemple, la constante de Boltzmann kB et la constante molaire des gaz parfaits R sont utiles notamment p comportement d'un gaz. La charge élémentaire e et la constante de Faraday F permettent d'exprimer des charges électrique De même, l'unité de masse atomique, de symbole u, et le gramme, g, permettent d'exprimer des masses. L'unité de masse at douzième de la masse d'un atome de carbone 12. 1. Quel est le facteur de proportionnalité entre : a. la constante molaire des gaz parfaits et la constante de Boltzmann? b. la constante de Faraday et la charge élémenta c. le gramme et l'unité de masse atomique? 2. Dans un tableau, regrouper les grandeurs et les unités relatives au domaine microscopique et celles relatives au domaine ma 3. Quel est l'intérêt de définir des unités hors du Système International comme l'unité de masse atomique? Données: e = 1,60 x 10-19 C; F = 9,65 x 104 C.mol -1; kB = 1,38 X 10-23 J.K-1; R = 8,31 J.mo1-1 K-1; M (12C) = 12,0 g. mol -1; N A =

R = 6,02 x 10–23 mol–1 NA b. F = 6,03 x 10–23 m kB e c. D’après la définition de l’unité de masse atomique : 1 u = 1 x m (1 atome 12C) = m (1 mol 12 C) 12 12NA 1u = 1 x 1 x M(12C) = 1 g On retrouve encore une fois le nombre d’Avogadro. NA 12 N A 2. Le passage d’un domaine à l’autre se faisant grâce à la constante d’Avogadro : Domaine microscopique D 1. À l’aide des données de l’énoncé, on calcule :

a.

3. Certaines unités sont mal adaptées à l’échelle micro- ou macroscopique. Il est s ne sont ni infiniment petits, ni infiniment grands (sans puissance de dix), d’où l masse atomique, plus facile à manipuler que 1,66 x 10–24 g.

kB e 1u

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Ch.14. N°22 p : 366. Calculer une variation de te mpérature COMPÉTENCES : Raisonner; calculer. Dans un radiateur à bain d'huile, des conducteurs ohmiques chauffent l'huile qu'il contient. En refroidissant, cette huile tran la pièce dans laquelle se trouve le radiateur. On considère un radiateur contenant 5,0 L d'huile portée à une température de 50 °C. On coupe l'alimentation du radiateur. 2 l'huile est à la température de la pièce. L'énergie thermique transférée est de 2,2 x 10kJ. Données: c huile = 2,0 x 103 J . kg-.K-1; d huile = 0,81; ; eau = 1,00 kg .L-1. 1.Quel est le signe de la variation de l'énergie interne de l'huile? 2.Quelle est la température de l'huile du radiateur lorsqu'elle atteint celle de la pièce ? 1. La température de l’huile diminue ; il en est de même pour son énergie interne. La variation d’énergie interne de l’huile

2. La variation d’énergie interne de l’huile s’exprime par : ∆U = m · c · (Tf – Ti) avec m la masse de l’huile. d’où ∆U = V huile · dhuile · ρ eau · (Tf - Ti). m = V huile · dhuile · ρ eau 5 On en déduit : Tf = ∆U + T1 A.N. : T f = - 2,2 x 10 + 50 soit Vhuile · dhuile · ρ eau . c huile 5,0 x 0,81 x 1,00 x 2 000 N°23 p : 366. Une ou plusieurs couches ? COMPÉTENCES : Raisonner; argumenter Le tableau ci-contre indique les résistances thermiques de plusieurs matériaux ayant une surface de Matériau Résistan Nylon 1,0 m2 et une épaisseur de 2,0 mm. Cuir 1. Quel est le matériau le mieux adapté pour un vêtement d'hiver? Justifier. 2. Quelle est la résistance thermique totale de plusieurs matériaux accolés les uns contre les autres? Feutre 3.a. Qu'y a-t-il entre deux vêtements superposés? b. Pourquoi conseille-t-on de mettre plusieurs vêtements fins plutôt qu'un seul épais pour se préserver du froid? 2 d'air d'épaisseur égale à 2 mm a pour valeur Rth_air = 7,6 x 10-2 K.W-1 . Donnée : la résistance thermique d'une surface de 1 m

1. Le matériau le mieux adapté aux vêtements d’hiver est celui qui a la résistance thermique la plus élevée, c’est 2 Lorsqu’on accole plusieurs matériaux, la résistance thermique totale est la somme des résistances thermiques d 3.a. Entre deux vêtements est emprisonnée une fine épaisseur d’air. b. On constate que, pour une même épaisseur e, l’air a une résistance thermique plus élevée que les ma donc un bon isolant thermique. Deux vêtements de même épaisseur, l’un constitué d’un tissu unique et l’autre d’une superposition de même résistance thermique. La résistance du tissu épais est plus faible que la somme de la résistance des l'air emprisonné dans ces tissus.

N°24 p : 367. Mesure d'une résistance thermique Compétences : Calculer ; estimer une incertitude Pour déterminer la résistance thermique d'un échantillon, on le place entre deux plaques d'aluminium de résistances ther serrant l'échantillon, on obtient une température homogène sur chaque face de l'échantillon. En réglant la puissance élec ohmique chauffant, on maintient : la face supérieure de l'échantillon à la température ambiante Ti ; la face inférieure de l'échantillon à une température T2, inférieure à la température T1. La puissance électrique du conducteur ohmique chauffant est égale au flux thermique. On souhaite mesurer la résistance thermique d'une surface plane de polystyrène. On impose sur la face inférieure de la plaque de polystyrène une température 2T= 8,0 °C. La face supérieure est maintenue à la te T 1 = 20,0 °C. Le flux affiché par l'appareil de mesure est = 0,100 W. 1. Calculer la résistance thermique Rth de la plaque de polystyrène. 2. Le flux thermique mesuré par l'appareil est celui qui traverse la plaque supérieure d'aluminium, le polystyrène et la plaqu a. Pourquoi la résistance thermique des plaques d'aluminium doit-elle être faible? -3 -1 b. On évalue la résistance thermique de chaque plaque d'aluminium à R th = 3,2 x 10 K.W . Est-elle négligeable comme l'i 3. L'appareil mesure les températures Ti et T2 à deux dixièmes de degré près. On estime à 6 % l'incertitude relative sur la me a. Quelle est l'incertitude de mesure sur le flux thermique cp traversant la plaque ? Donner un encadrement de . b. L'incertitude de mesure U( T) sur l'écart de température T= T1- T 2 a pour expression : Évaluer cette incertitude et donner un encadrement de T. c. Lorsqu'une grandeur A a pour expression A = B / C, l'incertitude de mesure U(A) sur A peut être évaluée par : U(B) et U(C) étant respectivement les incertitudes sur B et C. Donner l'expression de l'incertitude U(R th ) sur la valeur de la résistance thermique de la plaque. Donner un encadrement de Rth et écrire sa valeur associée à son incertitude. Donnée: Le flux thermique s'écrit = Q = |T1 –T2 | t Rth 1. La résistance thermique se calcule à partir de l’expression du flux thermique.Rth = |T1–T 2| = 20,0 – 8,0 = 120 K

0 ,100 La résistance thermique de cette plaque d’aluminium est de 120 K · W–1. 2. a. La résistance thermique de l’appareil est la résistance de la plaque de polystyrène plus celle des deux plaqu Rth_tot = Rth + 2 R’th . La résistance thermique des plaques d’aluminium doit être faible devant celle du polys valeur mesurée soit identifiable à la résistance thermique du polystyrène. b. On vérifie que 2 R’ th...