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1 PHYSIQUE J-M R. D-BTP 2006 2 Généralités Hydrostatique Cinématique Thermique Statique Physique appliquée au génie climatique.

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2 1 PHYSIQUE J-M R. D-BTP 2006

3 2 Généralités Hydrostatique Cinématique Thermique Statique Physique appliquée au génie climatique

4 3 Généralités Masse Poids Définition de létat dun corps Masse volumique Densité Poids volumique Travail Energie Puissance Unités fondamentales

5 4 Masse La masse ( m ) représente la quantité de matière que contient un corps. Tous les corps sont constitués de matière, donc tous les corps ont une masse. La quantité de matière ou la masse ne varie pas quel que soit le lieu ou les contraintes qui sexerce sur le corps donc : La masse est immuable. Lunité de masse est le kilogramme ( kg ). Le kilogramme reste la masse prototype en platine iridié, sanctionné par la conférence générale des poids et mesure de 1889 et déposé au pavillon de Breteuil à sèvres. Le kilogramme et aussi la masse de 1 dm³ deau pure à 4°C.

6 5 Poids 1/3 Le poids ( Pd ) dun corps est lattraction que la terre exerce sur ce corps. Cette attraction ou poids du corps est dautant plus grande que la quantité de matière donc la masse du corps est grande. Cette attraction ou poids du corps varie en fonction de la latitude et de laltitude, lattraction est plus grande près du noyau de la terre. Sur le territoire français métropolitain, la variation maximum est de 1/1000 ème. Le poids est variable. Lunité de poids est le Newton ( N ). Isaac NEWTON ( 1643 – 1727 )

7 6 Poids 2/3 Le poids ( P d ) est le produit de la masse ( m ) et de lattraction terrestre ( g ). A Paris et par extension sur tout le territoire français, g = 9,81 N/kg. Un corps qui a une masse de 1 kilogramme a donc un poids de 9,81 N. Observation : en état dapesanteur, g = 0 N/kg, le poids sera donc nul. Le poids étant variable, on préférera utiliser la masse qui elle est invariable.

8 7 Définition de létat dun corps Létat dun corps (solide, liquide ou gazeux) peut se définir par la variation possible de la forme ou du volume du corps. FormeVolume Solide Liquide Gaz constante constant variable Un fluide a une forme variable. Un liquide est un fluide incompressible. Un gaz est un fluide compressible.

9 8 Masse volumique La masse volumique ( ρ ), est le rapport de la masse dun corps (m) sur son volume (V). On exprime généralement le masse volumique en kg/m 3 pour les gaz et en kg/dm 3 pour les solides et les liquides.

10 9 Quelques exemples de masse volumique : 1 kg/dm 3 Leau à 4 °C 1,293 kg/m 3 (n)Lair à 0 °C 0,84 kg/dm 3 Le fioul domestique 11,3 kg/dm 3 Le plomb 13,6 kg/dm 3 Le mercure Masse volumique

11 10 Densité des solides La densité (d) dun corps liquide ou solide est le rapport de la masse du corps à la masse du même volume deau à 4 °C. La densité est aussi le rapport des masses volumiques.

12 11 Si on lon exprime les masses volumiques du corps et celui de leau en kg/dm 3, on obtient : Pour les corps solides ou liquides la valeur de la densité est identique à celle de la masse volumique exprimée en kg/dm 3. Exemple : Le plomb a une masse volumique de 11,3 kg/dm 3, Le plomb a donc une densité de 11,3. Le plomb est donc 11,3 fois plus « lourd » que leau. Densité des solides

13 12 Densité des gaz La densité (d) dun gaz est le rapport de la masse du même volume dair sec à 0°C et à 1013 hPa de pression absolue. masse du même volume dair sec à 0°C densité = masse du gaz La densité est aussi le rapport des masses volumiques. densité = masse volumique du gaz masse volumique de lair sec à 0°C

14 13 Si on lon exprime les masses volumiques du corps et celui de lair en kg/m 3, on obtient : Pour les gaz la valeur de la densité est différente de celle de la masse volumique exprimée en kg/m 3. Exemple : Lazote a une masse volumique de 1,25 kg/m 3, Lazote a une densité de 0,97. Sa masse volumique est supérieure à 1 et pourtant sa densité est inférieure à 1 ! NE PAS CONFONDRE DENSITE ET MASSE VOLUMIQUE !! masse volumique de lair sec à 0°C densité = masse volumique du gaz Densité des gaz

15 14 Poids volumique On exprime généralement le poids volumique en N/m 3 pour les gaz et en N/dm 3 pour les solides et les liquides. Le poids volumique ( ω ), est le rapport du poids dun corps (P d ) sur son volume (V).

16 15 Poids volumique

17 16 Travail Au sens commun « travailler » cest déplacer des forces (pousser une brouette, soulever des tubes, fileter, percer un mur…) cest aussi le sens physique du travail : W = F. d Pour déplacer une force F de 1 Newton dune distance d de 1m, on effectue un travail W de 1 Joule. Le Joule est lunité légale du travail et est égal à 1 N.m. James Prescott JOULE ( 1818 – 1889 )

18 17 Energie Pour effectuer un travail, il faut de lénergie, en effectuant le travail, on consomme de lénergie, on consomme autant dénergie que lon a effectué de travail. Lénergie et le travail ont donc la même unité, le Joule (J).

19 18 Energie potentielle Lénergie potentielle dun solide dépend de sa masse, de laccélération de la pesanteur et de la hauteur de chute libre. E p = m. g. z m en kg, g en m/s², z en m, E p en Joules m = 10 kg z = 10 m E p = 10 kg. 9,81 m/s². 10 m = 981 J Exemple :

20 19 Energie cinétique Lénergie cinétique dun solide en mouvement dépend de sa masse et de sa vitesse. E c = ½. m. v² m en kg, v en m/s, E c en Joules v = m/h / 3600 s/h = 30 m/s E c = ½ kg. 30 m/s. 30 m/s E c = J = 450 kJ Exemple 1 : m = 1000 kg v = 108 km/h

21 20 Lénergie cinétique dun solide en mouvement dépend de sa masse et de sa vitesse. E c = ½. m. v² m en kg, v en m/s, E c en Joules v = m/h / 3600 s/h = 60 m/s E c = ½ kg. 60 m/s. 60 m/s E c = J = kJ Exemple 2 : m = 1000 kg v = 216 km/h Energie cinétique

22 21 Energie mécanique Lénergie mécanique dun solide est la somme de lénergie cinétique et de lénergie potentielle de ce solide. E m = E c + E p Tant quaucun travail na été effectué, lénergie est conservée. Le solide conservera donc la totalité de son énergie mécanique.

23 22 m = 10 kg z = 10 m Toute lénergie est potentielle: Ep = 981 J, Ec = 0 J, Em = 981 J Lénergie mécanique est conservée : Em = 981 J Lénergie potentielle nest plus que : Ep = 490,5 J Lénergie cinétique est maintenant : Ec = 490,5 J z = 0,0001 m Lénergie mécanique est conservée : Em = 981 J Lénergie potentielle est nulle : Ep = 0 J Toute lénergie est cinétique : Ec = 981 J z = 5 m Energie mécanique

24 23 m = 10 kg z = 10 m z = 0,0001 m Lénergie mécanique est conservée : Em = 981 J Lénergie potentielle est nulle : Ep = 0 J Toute lénergie est cinétique : Ec = 981 J On peut calculer la vitesse au moment de limpact au sol : = 14 m/s v = 2. E c m = On peut noter quon obtiendrait la même vitesse si la masse du solide était différente. (la masse et lénergie cinétique étant directement proportionnelles. « dans le vide, tous les corps chutent à la même vitesse » Energie mécanique

25 24 Puissance Le travail qui est effectué dans un certain temps, ou le temps qui est nécessaire pour effectuer un travail, dépendent de la puissance utilisée. On peut donc définir la puissance (P) comme le rapport du travail effectué (W) sur le temps (t). P = W t W : travail en Joules t : temps en seconde Une machine capable deffectuer un travail de 1 Joule en 1 seconde a une puissance de 1 Watt. James Watt ( 1736 – 1819 )

26 25 Unités fondamentales grandeur symbole unité symbole Longueur L mètre m Masse m kilogramme kg Intensité lumineuse J candela cd Intensité électrique I ampère A Température T Kelvin K Quantité de matière la mole mole mol Temps t seconde s Toutes les grandeurs physiques rencontrées dans la nature peuvent se définir en fonction de 7 grandeurs de base.

27 26 Angle plan radian rad Angle solide stéradian sr Aux 7 grandeurs de base viennent sajouter 2 grandeurs dites « supplémentaires ». grandeur symbole unité symbole Unités fondamentales

28 27 Le mètre Le mètre (m) est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/ de seconde. Le kilogramme Le kilogramme (kg) est l'unité de masse, il est égal à la masse du prototype international du kilogramme. La seconde La seconde (s) est la durée de périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133. Unités fondamentales

29 28 L'ampère L'ampère (A) est l'intensité d'un courant électrique constant qui, maintenu dans deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable et placés à une distance de 1 mètre l'un de l'autre dans le vide, produirait entre ces conducteurs une force égale à Newton par mètre de longueur. Le kelvin Le kelvin (K), unité de température thermodynamique, est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau. Le point triple de l'eau et le zéro absolu définissent l'échelle thermométrique thermodynamique. Unités fondamentales

30 29 La mole La mole (mol) est la quantité de matière d'un système contenant autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 0,012 kg de carbone 12. La candela La candela (cd) est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence hertz et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian. Unités fondamentales

31 30 Statique Force Somme de forces Moment de force Couple Équilibre Notion de pression Pression exercée par un solide

32 31 Force On appelle force toute cause capable: - de modifier le mouvement dun corps, - de déformer un corps. Elle est caractérisée par : Une direction On peut donc représenter une force par un vecteur dont lorigine est le point dapplication, la longueur lintensité par rapport à une échelle choisie et la flèche la direction et le sens., un sens, un point dapplication x, une intensité. 3 N F

33 32 Somme de forces Effectuer une somme de force permet de définir la force résultante dun système de forces. Cette force résultante est équivalente à laction exercée simultanément par lensemble des forces. Si la force résultante est nulle, le système est en équilibre. On peut définir la force résultante : graphiquement en traçant le polygone de Varignon, par le calcul en effectuant la somme vectorielle des forces.

34 33 Polygone de Varignon Le point est soumis à plusieurs forces. On place les forces « bout à bout » La force résultante est le vecteur allant du point dorigine à la pointe de la dernière flèche. FRFR À noter que lordre dans lequel on place les forces « bout à bout » na pas dimportance. Somme de forces

35 34 Somme vectorielle Les vecteurs forces sont repérés sur un repère orthonormé. F 1 = + 3, + 2 F 2 = + 4, - 4 F 3 = - 3, - 4 F 4 = - 1, + 4 Les coordonnées de la force résultante sont la somme algébrique des coordonnées de toutes les forces. Soit : F R = ( – 3 – 1 ) et ( + 2 – 4 – ) F R = + 3, - 2 FRFR Somme de forces

36 35 Somme vectorielle Les vecteurs forces sont repérés sur un repère orthonormé. F 1 = + 3, + 2 F 2 = + 4, - 4 F 3 = - 3, - 4 F 4 = - 1, + 4 A noter que la détermination par le polygone de Varignon donnerait, bien sur, le même résultat. Somme de forces

37 36 Exercice Déterminez les coordonnées de la force résultante à ce système de six forces. Tracez la force résultante, puis contrôlez en traçant le polygone de Varignon. Somme de forces

38 37 Corrigé de lexercice Fr = ( – 1 – 2 – 5) ( – 2 – 3 – 3) = + 3, + 1 Le tracé du polygone de Varignon permet de contrôler le calcul. Somme de forces

39 38 Moment de force Le moment de la force F par rapport à laxe o ( M F ) est égal au produit de la distance d de laxe à la droite daction de la force par lintensité de cette force en newton. Il sexprime en mètre newton (mN). Le moment est dit positif si la rotation engendrée est anti-horaire (sens trigonométrique). Le moment est dit négatif si la rotation engendrée est horaire. x o d F

40 39 Leviers Un levier est un solide très léger dont la forme est assimilable à une barre. Il est soumis à trois forces : la réaction du point dappui R, la force à vaincre ou résistance Fr, la force motrice F. Selon la position relative de ces trois forces, on distinguera trois sortes de leviers : levier inter-appui, levier inter-résistant, levier inter-moteur.

41 40 Levier inter-appui R F Fr OAB Fr. OA = F. OB doù F = Fr. ( OA / OB ) et R = Fr + F On voit que plus la distance OB est grande par rapport à OA, plus leffort F sera petit pour vaincre une même force Fr. Applications : barre à mine, pied de biche, tenailles, cisailles à main, diable, chariot à bouteilles (1er temps). Attention, cest au point dappui que la force exercée est la plus grande ! Leviers

42 41 Levier inter-résistant Fr. OA = F. OB doù F = Fr. ( OA / OB ) et R = Fr - F On voit que plus la distance OB est grande par rapport à OA, plus leffort F sera petit pour vaincre une même force Fr. Applications : brouette, cisaille à levier, casse noix, diable, chariot à bouteilles (2ème temps). R F Fr OAB Leviers

43 42 Levier inter-moteur Fr. OA = F. OB doù F = Fr. ( OA / OB ) et R = F - Fr On voit que plus la distance OB est petite par rapport à OA, plus leffort F devra être grand pour vaincre une même force Fr. Applications : étaux à chaud, brucelles, pince à épiler… R F Fr O A B Leviers

44 43 Couple de forces Un couple est un ensemble (c) de deux forces, parallèles, de sens contraires et de même intensité. Le moment dun couple est égal au produit de la distance des droites daction des deux forces par lintensité de celles-ci. Il sexprime en mètre newton (mN). F F d Applications : tourne à gauche

45 44 Équilibre Un système est en équilibre si : - la somme des forces est nulle (force résultante = 0), - la somme algébrique des moments des forces est nulle. La barre ne tourne pas, on a donc en A une force dont le moment soppose à celui de la force exercée en C. Lensemble ne chute pas, on a donc en B une force opposée à la résultante des deux autres forces. 20 N 30 N B A 1 m 2 m 10 N C On peut constater que, quel que soit le point de rotation choisi (A B C ou un autre), la somme des moments est nulle.

46 45 Notion de pression La pression résulte de laction exercée par une force ou un poids sur une surface. La pression (P) est le rapport de la force (F) sur une surface pressée (A). Lunité de force est le newton, lunité de surface le m². Lunité de pression est le N/m² que lon appelle, en France, le Pascal (Pa). Blaise PASCAL ( 1623 – 1662 )

47 46 Le pascal est lunité « fondamentale » de pression qui est souvent à utiliser pour les calculs de physique. Mais, cette unité est très petite et convient peu aux valeurs de pressions rencontrées dans notre métier. Cest pourquoi, dans la pratique, on utilisera des multiples du pascal, soit le bar ou le millibar. 1 bar = 10 5 Pa = Pa. 1 mbar = 100 Pa = 1 hPa Notion de pression

48 47 Pression exercée par un solide 1 m 2 m Poids = 100 N A B C

49 48 Un solide peut transmettre intégralement à un autre corps la force pressante qui sexerce sur lui. Mais la pression quil transmet est en générale différente de la pression quil subit. Pour accentuer leffet dune force pressante, on réduit la surface pressée. La pression exercée est augmentée. (punaise, pointe, fil dune lame…) Pour diminuer leffet dune force pressante, on augmente la surface pressée. La pression exercée est diminuée. (raquettes, planches de roulement…) Pression exercée par un solide

50 49 Hydrostatique Pression dans un liquide Pression atmosphérique Unités de pression Pression relative, pression absolue Vases communicants Pompe de Pascal

51 50 Vases communicants Un volume donné de liquide ne change pas mais il prend la forme du récipient dans lequel il est contenu. La surface libre est horizontale, cest le cas des récipients au sens commun du mot (vase, verre, bouteille…) mais cest aussi le cas des récipients plus complexes comme les installations de chauffage, les distributions publiques deau, etc…

52 51 Si lon remplit un récipient complexe constitué de tubes de formes et de dimensions différentes, on saperçoit que la surface libre du liquide sétablit toujours selon lhorizontale et ceci que lon remplisse par nimporte quel tube et que le collecteur soit horizontal ou incliné. Vases communicants

53 52 Si lon obture un des tubes avec un bouchon, et que lon remplit le récipient, on saperçoit que le niveau de liquide dans le tube bouché est en dessous de la surface libre des autres tubes. Dans le tube bouché, lair est comprimé. Vases communicants

54 53 Si lon ôte le bouchon, Vases communicants

55 54 Si lon ôte le bouchon, on saperçoit que lair est chassé et que le liquide dans le tube remonte au même niveau que la surface libre des autres tubes. Vases communicants

56 55 oui Linstallation de chauffage ci-dessous, dont chaque partie est en communication avec les autres, comporte deux erreurs : oui Ch R R R Vases communicants

57 56 Pression dans un liquide niveau a Pa niveau b Pb Tous les points se trouvant sur le niveau a sont à la pression Pa. Tous les points se trouvant sur le niveau b sont à la pression Pb. Lécart entre les pressions est proportionnel à la différence de niveaux.

58 57 Pa Pb h Lécart entre les pressions est proportionnel à la différence de niveaux h et au poids volumique du liquide ω. Pression dans un liquide

59 58 Pa = 0 bar Pb = ? h = 1 m Eau à 4 °C Exercice : calculer la pression Pb. Pression dans un liquide

60 59 Pression dans un liquide

61 60 Pression atmosphérique Si lon plonge totalement une éprouvette dans un bain de mercure et quon la fait pivoter, on saperçoit que le niveau de mercure ne peut dépasser une certaine altitude dans léprouvette. z

62 61 Le haut de léprouvette est vide de matière et de pression. Cest la pression atmosphérique qui « pousse » le mercure dans léprouvette. vide pression atmosphérique z La pression atmosphérique dépend du poids de la colonne dair. Pression atmosphérique

63 62 En moyenne, la hauteur de mercure est de 760 mm, la masse volumique du mercure est de kg/m 3 la pression atmosphérique est donc égale à : P =. g. h kg/m 3. 9,81 N/kg. 0,76 m = Pa = 1013 hPa = 1013 mbar vide pression atmosphérique z = 760 mm Pression atmosphérique

64 63 Cette pression correspond à la pression atmosphérique « normale » En météorologie, si la pression atmosphérique est supérieure on est en anticyclone Si la pression atmosphérique est inférieure on est en dépression 760 mm Pression atmosphérique « normale » mbar anticyclone dépression et est la définition de lunité « atmosphère » ( 1 Atm = mbar ). 1 Atm Pression atmosphérique

65 64 Cest E. Torricelli, physicien italien, qui a mis en évidence la pression atmosphérique et inventé le baromètre à mercure. En son honneur, on a créé le torr qui correspond au millimètre de mercure. 1 Atm = mbar = 760 mmHg = 760 torr 760 mmHg 760 torr Evangelista Torricelli ( 1608 – 1647 ) 760 mm mbar 1 Atm Pression atmosphérique

66 65 REMARQUES La pression atmosphérique donnée par la météo est la pression au niveau de la mer. Pour repérer les conditions climatiques sur un baromètre à mercure il sera donc nécessaire de faire une correction en fonction de laltitude au moyen dune petite échelle réglable. Les baromètres à mercure sont maintenant remplacés par des baromètres à aiguille qui mesure la dilatation dune capsule métallique dans laquelle on a fait le vide. Cest le même principe qui est utilisé pour les altimètres. Pression atmosphérique

67 66 Unités de pression Conversion des unités de pression Valeurs intéressantes à retenir PascalbarmbarmmCEkgf/cm 2 atmtorr 1 Pa (N/m 2 )= × × bar (daN/cm 2 ) =bar mbar = ,21,02× mmCE = × , × kgf/cm 2 (10mCE) = atm (760 torr) =atm , torr (mmHg) =torrmmHg ,

68 67 Conversion des unités de pression en Pa mmCE mbar mmHg kgf/cm² bar atm Pa 1 9, Unités de pression

69 68 Pression relative, pression absolue La pression est dite relative ou effective lorsquelle est mesurée par rapport à une pression de référence (généralement la pression atmosphérique). On mesure cette pression relative avec : un manomètre pour les valeurs supérieures à la pression atmosphérique, un vacuomètre ou un déprimomètre pour les valeurs inférieures à la pression atmosphérique. Ces appareils indiquent zéro lorsquils sont soumis à la pression atmosphérique standard.

70 69 La pression est dite absolue lorsquelle est mesurée par rapport au vide. On pourrait mesurer cette pression absolue avec un baromètre, mais il est plus simple de la calculer en utilisant la formule suivante. P absolue = P relative + P atmosphérique P relative : pression lue au manomètre P atmosphérique : pression lue au baromètre Les deux pressions doivent bien sûr être exprimées avec la même unité ! Pression relative, pression absolue

71 70 P absolue = P relative + P atmosphérique P relative P atmosph. P absolue Pression relative, pression absolue

72 71 Exemple 1 : Pression deau lue au manomètre : 1,5 bar Pression atmosphérique lue au baromètre : 750 mmHg Conversion de la P atmosphérique : 1, / 760 = 1 bar P absolue = 1,5 bar + 1 bar = 2,5 bar Exemple 2 : Pression de gaz lue au manomètre : 21 mbar Pression atmosphérique lue au baromètre : 1011 mbar P absolue = 21 mbar mbar = 1032 mbar Pression relative, pression absolue

73 72 Pompe de Pascal 1/5 Un liquide étant pas ou très peu compressible, il transmettra intégralement les pressions dans toutes les directions. Si lon exerce une pression P 1 sur le piston A : A P1P1 cette pression sera intégralement transmise par le liquide, et une pression P 2, égale à P 1 sexercera sur le piston B. P2P2 B P

74 73 Pompe de Pascal 2/5 La pression P 1 est le rapport de la force F 1 sur la surface S 1 A P1P1 B F 1 S1 S1 = La pression P 2 est le rapport de la force F 2 sur la surface S 2 P2P2 F 2 S2 S2 =

75 74 Pompe de Pascal 3/5 Comme P1 et P2 sont égales : A P1P1 B = F1 F1 S1 S1 F 1 Les forces exercées sont proportionnelles aux surfaces sur lesquelles elles sappliquent. P2P2 = F2 F2 S2 S2 F 2 F1 F1 = S1 S1 S2 S2 S2 S2 S1 S1

76 75 Pompe de Pascal 4/5 Il suffit donc dexercer une petite force F 1 sur une petite surface S 1 pour exercer une grande force F 2 sur une grande surface S 2 ! Et plus S 1 sera petite par rapport à S 2, moins il faudra exercer de force F 1 pour créer une grande force F 2 !! A P1P1 B = F 1 S1 S1 P2P2 = F2 F2 S2 S2 F 2 F1 F1 F2 F2 = S1 S1 S2 S2 S2 S2 S1 S1

77 76 Pompe de Pascal 5/5 Une application de la pompe de Pascal : la cintreuse hydraulique En appliquant une force F 1 au bout du levier, on exerce une force F 2 sur le piston de petite surface, cette force F 2 engendre une pression P dans tout le liquide cette pression exerce une force F 3 sur le piston de grande surface, F 1 F 3 F 2 P

78 77 Cinématique Vitesse linéaire Vitesse de rotation industrielle Accélération Accélération de la pesanteur Vitesse de rotation ou vitesse angulaire Écoulement dun orifice

79 78 Vitesse linéaire La vitesse linéaire est la distance parcourue pendant un certain temps par un corps en déplacement. Lunité de longueur (d) est le mètre, Lunité de temps (t) est la seconde. Lunité de vitesse linéaire ( v ) est le m/s. v d t =

80 79 Vitesse de rotation ou vitesse angulaire La vitesse de rotation est langle parcouru pendant un temps dune seconde par un corps en rotation. Lunité dun angle ( a ) est le radian. Lunité de temps (t) est la seconde. Lunité de vitesse de rotation ( ω ) est le rad/s.

81 80 Vitesse de rotation industrielle La vitesse de rotation industrielle est le nombre de tours parcouru pendant un temps dune minute par un corps en rotation. Lunité de temps (t) est la minute. Lunité de vitesse de rotation (n) est le tr/mn. t Nombre de tours n

82 81 Accélération Laccélération est caractérisée par une augmentation de vitesse. t a v lunité de temps (t) est la seconde. Lunité de vitesse ( v )est le m/s. Lunité daccélération (a) est le m/s 2

83 82 Accélération de la pesanteur Laccélération de la pesanteur est aussi appelée attraction terrestre. Elle dépend de la distance au noyau donc de la latitude et de laltitude. Lunité de laccélération de la pesanteur (g), ou de lattraction terrestre (g) peut être donnée en m/s 2 ou en N/kg, cest la même chose. Quelques valeurs remarquables de laccélération de la pesanteur : 9,81 m/s 2 A Paris 9,83 m/s 2 Au pôles 9,78 m/s 2 A léquateur

84 83 Écoulement dun orifice 1/2 La vitesse découlement dun orifice est donnée par la formule suivante : v 2. P = v : vitesse déjection en m/s P : différence de pression en Pa : masse volumique du fluide en kg/m 3

85 84 Écoulement dun orifice 2/2 v 2. P = Exemple : Calculer la quantité dun gaz de masse volumique 0,5 kg/m 3 sécoulant en une heure par un orifice au bord parfaitement arrondi de 1 mm² de section, pour une surpression de 10 mbar soit 1000 Pa. Vitesse découlement 2. == 63,25 m/s Quantité de gaz S. v === , ,227 m 3 /h

86 85 Thermique Notion de température Histoire des thermomètres Les inventeurs Conversion dunités de température Notion de chaleur Transmission de chaleur Unité de chaleur Quantité de chaleur

87 86 Notion de température 1/2 La notion de « température » est issue de la sensation de froid ou de chaud que lon éprouve en touchant les corps qui nous entourent. Ainsi, cette appréciation se fait par rapport à la température de notre corps. Nous disposons de tout un vocabulaire progressif auquel on peut accoler une « échelle de température ». Glace« glacial » Basses températures Eau de source« frais » Air en été« doux »Température douce Café chaud« tiède » Hautes températures Eau bouillante« brûlant » Feu« cuisant » Ces notions bien que suffisantes pour la vie courante sont vagues et imprécises et sont incompatibles avec les nécessités techniques.

88 87 Notion de température 2/2 Les physiciens ont donc dû créer des échelles de température. Ces échelles sont le plus souvent définies à partir de températures de référence caractéristiques. Celles-ci peuvent être, dans lordre croissant : - le « zéro absolu » appelé également « repos de la matière », - la température hivernale dun lieu, - la température de fusion de la glace, - la température du corps humain, - la température estivale dun lieu, - la température débullition de leau.

89 88 Histoire des thermomètres 1/2 Le premier thermomètre véritable a été inventé à Florence en 1654 par le grand duc de Toscane. L'appareil, à alcool, portait 50 graduations. En hiver, il descendait jusqu'à 7 degrés et montait, en été, jusqu' à 40 degrés. dans la glace fondante, il marquait 13,5°. Puis en 1702, l' astronome danois Ole Roemer ( ) fabrique un thermomètre à alcool marquant l'eau bouillante à 60° et la glace pilée à 7,5°. En 1717, le savant allemand Fahrenheit ( ) remplace l'alcool par du mercure. Il fixa à 32° la température de la glace fondante et à 96° la température normale du sang. Il donne au thermomètre sa forme définitive. En 1730, Réaumur, physicien et naturaliste français ( ), construisit le thermomètre à alcool pour lequel il utilisait l'échelle Celsius, physicien suédois ( ) construisit en 1742 un thermomètre à mercure qui marquait 100° au point de congélation de l'eau et 0° au point d'ébullition de l'eau... Mais en 1745, Linné ( ) inversa l'échelle des températures et présenta à l'Académie suédoise un thermomètre à mercure qui marquait 0° pour la glace fondante et 100° pour l'eau bouillante.

90 89 Histoire des thermomètres 2/2 En 1794, la Convention a décidé que le "degré thermométrique serait la centième partie de la distance entre le terme de la glace et celui de l'eau bouillante". En octobre 1948, le nom de degré Celsius a été choisi par la IX ème Conférence Internationale des Poids et Mesures. Choisir une échelle de 0 à 100, fut très difficile car le choix d'une telle échelle impliquait l'utilisation de nombres négatifs. Au XVIII ème siècle on ne maîtrisait pas les nombres négatifs. Nous avons donc plusieurs échelles de mesure des températures : l'échelle Celsius nommée centigrade jusqu'en 1948 adoptée par la plupart des nations, l'échelle Fahrenheit adoptée par la grande-Bretagne, et l'échelle Réaumur à peu près abandonnée. Nous avons également l'échelle absolue, utilisée par les scientifiques dont l'unité est le Kelvin ou K (lord Kelvin, ) : glace fondante 273,15°C, ébullition 373,15°C. Un « degré » K correspond à un degré Celsius, mais le zéro absolu est -273° Celsius, limite approchée de très près aujourd'hui.

91 90 Les inventeurs Réaumur ( 1683 – 1757 ) Né à La Rochelle en 1683, René Antoine Ferchault de Réaumur poursuit ses études d'abord dans sa ville natale, puis à Poitiers et à Bourges. Après s'être un temps intéressé au droit, il s'oriente vers les mathématiques auxquels il se consacre à Paris dès La publication de mémoires de géométrie le fait remarquer par l'Académie des sciences. Celle-ci l'accueille dans ses rangs alors qu'il a tout juste vingt-cinq ans et le charge de diriger une importante publication, la Description des divers arts et métiers. Réaumur se passionne pour tout ce qui est lié à la technologie. Il étudie la ductilité des métaux, la résistance des fils câblés, l'aimantation du fer. Ses recherches sur les alliages ferreux sont particulièrement importantes : transformation de la fonte en acier par addition de fer métallique ou oxydé, cémentation et trempe de l'acier sont présentées dans l'Art de convertir le fer forgé en acier et l'art d'adoucir le fer fondu en Ces travaux conduiront à l'introduction de la fabrication de l'acier en France. La même année, Réaumur utilise le microscope pour l'étude de la constitution des métaux et fonde ainsi la métallographie. En 1730, il construit l'appareil qui immortalisera son nom : le thermomètre à alcool pour lequel il imagine l'échelle 0-80 et dont les indications sont comparables les unes aux autres.

92 91 Daniel Gabriel Fahrenheit ( 1686 – 1736 ) Daniel Gabriel Fahrenheit naît à Dantzig, en Pologne, en Un détail qui revêt une certaine importance puisque le zéro de sa célèbre échelle thermométrique sera fixé d'après la température observée lors d'un hiver rigoureux de cette ville. Fils d'un marchand, Fahrenheit passe son temps entre la Hollande et l'Angleterre où il se consacre à l'invention d'instruments de physique et de météorologie dont la qualité lui vaudra une place à la Société royale de Londres dès C'est à l'âge de 22 ans que Fahrenheit rend visite à l'astronome danois Ole Römer ( ) qui entreprend de lui montrer la méthode d'étalonnage de thermomètres à alcool qu'il a mise au point quelques années auparavant. Utilisant une échelle thermométrique à deux points fixes (point de congélation et point d'ébullition de l'eau), Römer a l'habitude de plonger ses thermomètres dans un mélange d'eau et de glace – pour le zéro – puis dans de l'eau chaude correspondant à la température du corps humain – 22,5 degrés de son échelle. A son retour, le jeune homme commence à construire ses propres instruments selon une méthode inspirée de Römer. En 1714, il invente ainsi le premier thermomètre moderne à mercure, gradué en divisions représentant le quart de celles de Römer. Le point de fusion de la glace y est marqué à 32 degrés et la température du corps humain à 96 degrés. Fahrenheit n'utilisera quant à lui jamais le point d'ébullition de l'eau comme point fixe qu'il estima cependant à 212 degrés. Ce sont les fabricants qui lui succédèrent qui assimileront définitivement les points fixes de l'échelle à 32 et 212°F. Très vite, le thermomètre de Fahrenheit connaîtra un large succès en Angleterre, en Allemagne comme aux Pays-Bas. Son atout majeur : des températures toujours positives, même au cœur de l'hiver. Les inventeurs

93 92 Anders Celsius ( 1701 – 1744 ) Né en 1701 à Uppsala (Suède), Anders Celsius devient professeur dastronomie à luniversité de sa ville, à la suite de ses deux grands-pères et de son père. En 1732, le jeune astronome entame un important voyage de quatre années qui le conduit à visiter la plupart des grands observatoires européens de lépoque. Etudiant les aurores boréales, Celsius publie un an plus tard un recueil de plus de 300 observations. Il est également le premier à relier le phénomène des aurores à des causes magnétiques. En 1737, il participe à la célèbre expédition en Laponie menée par Maupertuis pour mesurer la longueur dun degré de méridien. Cette expédition permettra de confirmer l'idée de Newton suivant laquelle la Terre serait aplatie aux pôles. La notoriété que Celsius acquiert à la suite de cette expédition lui donne la possibilité de réunir les fonds nécessaires à la construction de lobservatoire dUppsala (1740) dont il est nommé directeur. Grâce à ses observations météorologiques, Celsius élabore en 1742 un thermomètre à mercure basé sur une échelle centésimale des températures et dont le 0 marque le point débullition et 100 le point de congélation de leau. Cette échelle, lune des premières du genre, sera inversée après la disparition de son inventeur, adoptant sa forme actuelle. Anders Celsius meurt prématurément en avril 1744 de tuberculose. Les inventeurs

94 93 sir William Thomson Kelvin ( 1824 – 1907 ) Né à Belfast (Irlande), William Thomson - plus tard connu sous le nom de lord Kelvin - plonge très tôt dans le monde des mathématiques. Son père, qui enseigne cette matière à l'université de Glasgow, l'initie en effet aux œuvres classiques mais aussi les plus récentes. Et à l'âge de 10 ans, William rejoint les bancs de l'établissement de son père. Là, En 1841, Thomson entre à l'université de Cambridge. Il y obtient son diplôme quatre ans plus tard avec les honneurs. Après avoir acquis, à Paris, un savoir-faire expérimental en complément des connaissances théoriques, Thomson obtient la chaire de "philosophie naturelle" (aujourd'hui physique) de l'université de Glasgow ; il n'a alors que 22 ans. Désormais, toute sa carrière se déroulera dans cette ville, jusqu'en 1899, date à laquelle il démissionne pour "laisser la place aux jeunes". Et quelle carrière ! Membre de nombreuses sociétés savantes, Thomson est nommé président de la Royal Society de 1890 à En 1866, la reine Victoria le fait chevalier pour son travail sur le câble transatlantique et en 1892, élevé à la pairie, devient le baron Kelvin of Largs. Décoré de l'ordre du Mérite en 1902, le désormais lord Kelvin sera inhumé à l'abbaye de Westminster, à Londres. L'œuvre de Thomson, particulièrement diversifiée (on lui doit des contributions majeures en électricité et thermodynamique, mais aussi mécanique, hydrodynamique, magnétisme, géophysique) a profondément marqué la physique du XIXe siècle. Dans le domaine de la thermodynamique, le savant anglais publie une théorie générale de la thermodynamique en 1851 dans laquelle il reprend l'ensemble des connaissances de son époque. En 1848, son intérêt pour la question des unités et échelles thermométriques l'amène à inventer l'échelle des températures absolue qui porte son nom Les inventeurs

95 94 Conversion dunités de température 1/3 Pour transformer une température relative en °C en température absolue T en K : T = Exemple : = 20 °C T = 20 °C = 293 K ________________________________________ Pour transformer une température relative 1 en °C en température relative 2 en °F : 2 = ( 1,8. 1 ) + 32 Exemple : 1 = 100 °C 2 = ( 1,8. C ) + 32 = 212 °F

96 95 Conversion dunités de température 2/3 °C °F 100 °C 212 °F 0 °C 32 °F 100 °F 37,7 °C-17,7 °C °F = ( 1,8. °C ) + 32 °C = ( °F - 32 ) / 1,8

97 96 Conversion dunités de température 3/3 °C°F 100 °C 212 °F 0 °C 32 °F 100 °F 37,7 °C -17,7 °C K 0 °F 373 K 273 K 311 K 0 K -273 °C 255 K -460 °F

98 97 Notion de chaleur On distingue deux types de chaleur : La chaleur sensible Qs qui correspond à lénergie nécessaire à élever la température dun corps sans changement détat, La chaleur latente Ql qui correspond à lénergie nécessaire à changer létat dun corps à température constante. La chaleur se transmet du corps le plus chaud vers le corps le moins chaud. Le premier cède et le second reçoit la même quantité de chaleur. Tous les corps dont la température est supérieure au zéro absolu (-273,15 °C), peuvent transmettre de la chaleur à un corps de température inférieure. En thermique, on considère donc que tout est plus ou moins chaud. Le « froid » nexiste pas.

99 98 Transmission de chaleur On distingue trois types de transmission de la chaleur : La conduction qui nécessite un contact entre les corps donneur et récepteur de chaleur. Plaque chauffante, thermoplongeur, échangeur à plaque, échangeur tubulaire, bain-Marie… La convection où la chaleur est véhiculée par de lair. Convecteur, ventilo-convecteur, aérotherme, radiateur… Le rayonnement où la chaleur est transmise sans contact ni médium entre lémetteur et le récepteur de chaleur. Soleil, panneau rayonnant, radiateur, plafond chauffant, cheminée de salon, foyer dune chaudière…

100 99 Unité de chaleur 1/2 La plus ancienne unité de chaleur était la calorie. On distinguait la « petite calorie » (cal) de la « grande calorie » (Cal). La petite calorie représentait la quantité de chaleur sensible nécessaire pour élever 1 gramme deau pure de 1 K. La grande calorie représentait la quantité de chaleur sensible nécessaire pour élever 1 kilogramme deau pure de 1 K. Hormis en diététique, la notion de grande calorie a disparu et celle-ci a été remplacée par la kilocalorie (kcal) qui représente également la quantité de chaleur sensible nécessaire pour élever 1 kilogramme deau pure de 1 K. On parlait également de thermie (th) qui représentait la quantité de chaleur sensible nécessaire pour élever 1 tonne deau pure de 1 K. On parlait également de millithermie (mth) qui représentait la quantité de chaleur nécessaire pour élever 1 millième de tonne deau pure de 1 K. Et était donc équivalente à la kilocalorie ou à la « frigorie » des frigoristes.

101 100 Unité de chaleur 2/2 Lunité actuelle de chaleur (et dénergie en général) est le Joule (J). 1 cal = 4,185 J donc : 1 J = 0,24 cal Le joule correspond à la chaleur sensible nécessaire pour élever 0,24 gramme deau pure de 1 kelvin ! Cest donc une unité très petite et peu pratique pour nos calculs qui ne prendront jamais en compte des masses aussi faibles. Aussi nous utiliserons comme unité le kilojoule (kJ), 1 kcal = 4,185 kJ ou 1 kJ = 0,24 kcal ou le watt-heure (Wh) 1 kcal = 1,163 Wh ou 1 Wh = 0,86 kcal ou le kilowatt-heure (kWh) 1 th = 1,163 kWh ou 1 kWh = 0,86 th

102 101 Quantité de chaleur 1/2 La quantité de chaleur sensible nécessaire pour élever la température dun corps dépend : - de la masse de corps à « chauffer », - de la nature du corps à « chauffer », - de lélévation de température désirée. Qs = m. Cm. Qs : quantité de chaleur sensible en kilojoules (kJ) m : masse du corps en kilogramme (kg) Cm : chaleur massique du corps en kJ/kg.K : élévation de température en kelvins (K)* *Les écarts de températures sexpriment en kelvins.

103 102 Quantité de chaleur 2/2 La quantité de chaleur latente nécessaire pour changer létat dun corps à température constante dépend : - de la masse de corps, - de la nature du corps. Ql = m. Cl Ql : quantité de chaleur sensible en kilojoules (kJ) m : masse du corps en kilogramme (kg) Cl : chaleur latente du corps en kJ/kg *on distinguera la chaleur de fusion Clf et la chaleur de vaporisation Clv

104 103 Physique appliquée au génie climatique Dilatation des corps Solubilité des gaz dans leau Solubilité des gaz et chauffage central Changement détat Vaporisation de leau Notion denthalpie

105 104 Dilatation des corps Dilatation linéaire des solides L0L0 Si lon prend une tige en métal de longueur Lo, et quon la chauffe, L L la tige sallonge de L, L = Lo + L On constate que cet allongement est proportionnel à la longueur initiale et à lélévation de température. L = Lo + ( Lo. k. ) L = Lo. ( 1 + k. ) k est le coefficient linéaire de dilatation.

106 105 Valeurs de « k » fer11, cuivre16, plomb zinc Dilatation linéaire des solides Dilatation des corps

107 106 Dilatation linéaire des solides Exercice dapplication : Le coefficient k du fer est de 11, Un tube de chauffage de 10 m de longueur a été monté en plein hiver alors quil était à la température de 0 °C. Quelle sera sa longueur, lorsquen fonctionnement sa température montera à 90 °C ? L = Lo. ( 1 + k. ) L 90 = 10 m. [ , ( 90 °C – 0 °C )] = 10,010 m Soit un allongement denviron 1 cm / 10 m Ceci est une donnée capitale pour le montage des canalisations qui seront soumises à de fortes variations de température. Dilatation des corps

108 107 Dilatation cubique des solides et des liquides L0L0 Ce qui a été constaté sur lallongement de la tige de métal se produit en fait dans toutes les directions. Ainsi un cube de côté Lo, que lon la chauffe, L L verra chacune de ses arrêtes augmenter de L, L = Lo + L Le cube aura son volume augmenté de : V = [ Lo. ( 1 + k. ) ] 3 – Lo 3 K est le coefficient cubique de dilatation. Le volume obtenu sera égal à : V = Vo. ( 1 + K. ) Dilatation des corps

109 108 Valeurs de « K » fer34, eau ( 0,52 10 –3 )* cuivre49, alcool 1, plomb mercure 0, zinc On peut noter que la dilatation cubique des liquides est de 10 à 100 fois plus forte que celle des solides. Et que, pour les solides, K = 3. k * La dilatation de leau nest pas exactement proportionnelle à lélévation de température et son volume minimum nest pas à 0 °C mais à 4 °C. Dilatation cubique des solides et des liquides Dilatation des corps

110 109 Solubilité des gaz dans leau Les gaz peuvent se dissoudre partiellement dans leau et ce dautant plus : - que la pression de contact gaz-eau est forte, - que la température gaz-eau est voisine de 10 °C. Quelques valeurs de quantités dissoutes : Air dissous par kg deau à la pression atmosphérique 10 °C0,2268 litre 20 °C0,0187 litre 30 °C0,0161 litre Azote dissous par kg deau à 25 bar 25 °C0,35 litre 50 °C0,27 litre 75 °C0,25 litre 100 °C0,25 litre

111 110 Solubilité des gaz et chauffage central Lair étant extrêmement léger par rapport à leau, lorsque lon remplit une installation lair ne pourra être chassé que par le haut. Il faudra donc : - aménager son acheminement (pentes de tuyauteries), - assurer sa sortie (purgeurs dair). Ch R R R

112 111 Cinq causes peuvent expliquer la présence de gaz dans les réseaux. 1 - Le remplissage des installations. Avant d'être rempli un réseau est… plein d'air : cet air doit être éliminé au fur et à mesure du remplissage. En particulier si le remplissage est trop rapide cet air va pouvoir se dissoudre dans l'eau de remplissage du fait de l'augmentation de pression : si l'on fait seulement confiance aux purgeurs automatiques la pression d'air peut monter facilement jusqu'à la pression du réseau urbain ou tout au moins jusqu'à la pression après détendeur (disons 3 à 4 bar relatifs). Ceci conduira à multiplier potentiellement par 4 ou 5 la quantité de gaz dissous dans l'eau. Ainsi a-t'on près de 0,02 L d'air dissous par litre d'eau à 15ºC à saturation sous 1 bar. On peut donc avoir potentiellement près de 5x0,02=0,1 L de gaz dissous par litre d'eau… Solubilité des gaz et chauffage central

113 Les gaz dissous naturellement dans l'eau d'alimentation et l'augmentation de la température. Ainsi a-t'on pu voir que la solubilité d'un gaz diminue avec la température. La solubilité de l'air est divisée par près de 2 entre 10 ºC et 80 ºC par exemple. 3 - Les gaz dissous naturellement dans l'eau d'alimentation et la diminution de la pression. La solubilité d'un gaz est directement proportionnelle à sa pression partielle dans la phase gazeuse : une pression divisée par deux conduit à une solubilité divisée par deux. En particulier le dégazage pourra se produire en tête d'installation. Solubilité des gaz et chauffage central

114 Les entrées d'air parasites. Si la pression statique dans l'installation est trop faible on a un risque d'entrée d'air dans les zones localement en dépression. Ce peut être le cas en particulier, en entrée de pompe. 5 - Les réactions chimiques. La corrosion acide de l'acier "noir" (à pH < 9,5) conduit à la formation d'hydrogène. Solubilité des gaz et chauffage central

115 114 Les gaz peuvent se séparer et se concentrer dès que la vitesse de l'eau chute : arrêt de circulation, augmentation de diamètre (pour un débit constant : arrivée dans une bouteille de répartition ou dans un réservoir de stockage par exemple). De par leur masse volumique plus faible que celle de l'eau, les gaz vont pouvoir s'accumuler aux points hauts. Il faudra donc prévoir des points de purge automatique (en sortie des préparateurs d'eau chaude, des préparateurs et réservoirs d'ECS, des chaudières, et en tout point haut des installations en particulier en tête des colonnes montantes) doublés dans la mesure du possible de robinets de purge manuelle. Solubilité des gaz et chauffage central

116 115 Changement détat Si lon apporte en continu de lénergie à un corps initialement solide, celui-ci va : - monter en température jusquà son point de fusion, - se mettre à fondre complètement à température constante, - monter en température sous forme liquide jusquà son point débullition, - se vaporiser complètement à température constante, - monter en température sous forme vapeur. Cette évolution peut être représentée par le graphique suivant : temps température fusion ébullition SOLIDE LIQUIDE VAPEUR

117 116 temps température fusion ébullition SOLIDE LIQUIDE VAPEUR Lénergie fournie au corps lui a permis de recevoir : - de la chaleur sensible pour élever la température à létat solide Qss, Qss - de la chaleur latente de fusion Qlf, Qlf - de la chaleur sensible pour élever la température à létat liquide Qsl, Qsl - de la chaleur latente de vaporisation Qlv. Qlv Changement détat

118 117 Ces quantités de chaleur échangées sont égales à : Qss = m. Cm(s). ( Cm(s) : chaleur massique solide ) Qlf = m. Clf ( Clf : chaleur latente de fusion ) Qsl = m. Cm(l). ( Cm(l) : chaleur massique liquide ) Qlv = m. Clv ( Clv : chaleur latente de vaporisation ) temps température fusion ébullition SOLIDE LIQUIDE VAPEUR QssQlfQslQlv Changement détat

119 118 Valeurs pour l « eau » : Cm(s) : 0,5 kcal/kg.K 2,04 kJ/kg.K 0,58 Wh/kg.K Clf : 80 kcal/kg 335 kJ/kg 93 Wh/kg Cm(l) : 1 kcal/kg.K 4,18 kJ/kg.K 1,163 Wh/kg.K Clv : 540 kcal/kg kJ/kg 628 Wh/kg temps température fusion ébullition SOLIDE LIQUIDE VAPEUR QssQlfQslQlv K 1 0,5 Changement détat

120 119 Caractéristiques thermiques de quelques corps : Corps de fusion de vaporisation Clf Wh/kg Cm Wh/kg.K Clv Wh/kg Oxygène ,84-59,7 Mercure- 38,93573,3(l) 0, Ether ,5-(l) 0,615104,7 Eau (s) 0,58 (l) 1, Plomb ,36(s) 0, Fer ,45(s) Changement détat

121 120 Vaporisation de leau A la pression atmosphérique normale, leau bout à 100 °C par définition. Il nen est plus de même si la pression est différente : - si la pression est plus faible, elle bout à moins de 100 °C, - si la pression est plus forte, elle bout à plus de 100 °C. La loi générale de la pression de vaporisation en fonction de la température est donnée par la formule de Duperray : P ~ _ P = Pression absolue en bars = température relative dévaporation en °C

122 121 Exemple 1 : à quelle pression relative leau bout-elle à 110 °C ? P = ( 110 / 100 ) 4 = 1,46 bar Soit une pression relative denviron : 1,46 – 1 = 0,46 bar Exemple 2 : à quelle température bout-elle sous une pression relative de 1,5 bar ? = 100. racine quatrième de ( 1,5 + 1 ) = 135 °C P ~ _ Vaporisation de leau

123 122 Tableau de relation température dévaporation – Pression absolue évaporation °C Pression absolue bar Enthalpie eau Wh/kg Enthalpie vapeur Wh/kg Chaleur de vaporisation Wh/kg 800, ,2641,2 850,589498,8736,4637,6 900, ,6738, , ,5740,8630,3 1001, , , ,2745,1622,9 1101, ,1747,2619,1 1151, ,3615,3 1202, , , ,7753,3607,6 1302, ,7755,1603,4 Vaporisation de leau

124 123 Tableau de relation Pression absolue– température dévaporation Pression absolue bar évaporation °C Pression absolue bar évaporation °C Pression absolue bar évaporation °C 0,580,861,6112, ,2 0,685,451,8116, ,08 0,789,452119, ,71 0,892,993132, ,13 0,996,184142, ,36 199,095151, ,43 1,1101,766158, ,35 1,2104,257164, ,14 1,3106,568169, ,91 1,4108,749174, ,38 1,5110, , ,23 Vaporisation de leau

125 124 Le changement détat eau-vapeur est fonction de la relation pression-température. Il existe pourtant une limite au delà de laquelle « leau » est toujours à létat vapeur cest ce quon appelle le « point critique ». Ce point est définit par : La température critique : 374,2 °C La pression critique : 225,4 bar La fusion de leau se fait toujours à 0 °C Il existe des conditions où lon peut trouver « leau » dans les trois états. Cest ce quon appelle le « point triple » Ce point est définit par : Température : 0 °C Pression : 6,22 mbar Vaporisation de leau

126 125 Température critique Pression critique EAU VAPEUR GLACE Point triple ETATS PHYSIQUES DE LEAU Point critique Vaporisation de leau

127 126 Notion denthalpie Lenthalpie massique dun corps (i) correspond à la quantité totale de chaleur quun kilogramme de corps possède par rapport à lorigine de son état liquide. temps température fusion ébullition SOLIDE LIQUIDE VAPEUR Exemple 1 : un corps est à létat liquide, son enthalpie massique est i1 i1 Exemple 2 : un corps est à létat solide, son enthalpie massique est i2 i2 Exemple 3 : un corps est en phase dévaporation, son enthalpie massique est i3 i3

128 127 Lenthalpie massique dun corps (i) peut être portée sur léchelle du temps de notre graphique et être positive ou négative par rapport à lorigine liquide. temps température fusion ébullition SOLIDE LIQUIDE VAPEUR 0 enthalpie + Notion denthalpie

129 128 A quoi sert de connaître lenthalpie dun corps ? A calculer la quantité de chaleur à apporter ou à retirer au corps. temps température fusion ébullition SOLIDE LIQUIDE VAPEUR enthalpie i A B Quantité de chaleur nécessaire à passer un corps de masse m de létat A à létat B : Q = m. i Notion denthalpie

130 129 A calculer lenthalpie et donc létat et la température dun mélange temps température fusion ébullition SOLIDE LIQUIDE VAPEUR enthalpie C D Enthalpie massique iM du mélange constitué dune masse mC du corps à létat C et dune masse mD du corps à létat D : ( mC. iC ) + ( mD. iD ) ( mC + mD ) iM = mDmC M A quoi sert de connaître lenthalpie dun corps ? M Notion denthalpie


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