Me voici à nouveau pour vous présenter quelques expériences. Chantal Maatouk et Marwan Brouche vous ont donné une leçon sur les transferts thermiques en régime stationnaire et en régime transitoire. Ici, j'aimerais illustrer leur leçon, en leur montrant d'abord la conduction thermique dans un barreau de cuivre au régime stationnaire. Ensuite, j'aimerais aborder la question des pertes thermiques d'un métal au contact de l'air. Ensuite, j'aimerais illustrer la notion de déphasage thermique. Et puis, j'aimerais vous montrer une expérience pour laquelle la notion d'effusivité intervient. Et je terminerai avec deux expériences sur le transfert thermique par rayonnement. Commençons avec la conduction thermique. Je vous propose de regarder la température le long d'un barreau de cuivre, qu'on voit juste derrière cette grosse minuterie. On a monté quatre thermocouples à des distances égales le long du barreau. On va enregistrer ces températures alors que le barreau est maintenu à une extrémité dans de l'eau bouillante et de l'autre côté dans de la glace pilée, fondante, donc à zéro degré. Je vous montre sur ce graphique le résultat de l'expérience. Vous avez en ordonnée la température en degré Celsius, en abscisse le temps en seconde. On ne va pas s'intéresser ici à l'évolution temporelle, mais vous voyez qu'on a, après passées mille secondes, on a atteint un régime stationnaire. Ce que j'observe, c'est que les écarts de température ne sont pas exactement ce que j'avais prévu pour le cas idéal. Si vous voulez, je peux tracer ici l'écart entre deux températures, rapporter ces écarts. Vous voyez que, par ce petit montage graphique, on n'a pas toujours le même écart de température alors que les quatre thermomètres sont équidistants. Comment analyser cette expérience? Alors, je pars de la loi de Fourier. J'appelle κ la conductivité thermique. Si on n'a aucune perte thermique, on peut appliquer cette loi partout. On a la même puissance thermique Pq qui dépend donc du courant, chaleur, la densité de courant de cette chaleur jq et puis de la surface de la section du barreau, πr^2, qui nous donne la puissance, on aurait la même puissance partout. Manifestement, c'est pas le cas sinon on aurait le même ∇T entre tous les trois thermomètres, tous les quatre thermomètres. Alors je vais supposer qu'entre deux thermomètres, j'ai une perte relative de puissance et je vais appeler cette perte relative α. J'appelle S la surface du cuivre entre deux thermomètres. Je vais supposer c'est le paramètre que je maîtrise le moins bien, je vais supposer que j'ai une différence de température ΔT entre le, la surface du métal et l'air à son voisinage. Et je vais donc calculer un coefficient de perte thermique comme ceci, par unité de surface, donc j'ai une perte en Watt par mètre carré par Kelvin. Si je prends mes données numériques, ma petite construction géométrique qui réapparaît ici, grosso modo, j'ai une perte d'à peu près 15 % entre deux thermomètres. Bien sûr, la perte est continue le long du barreau et ici je cherche simplement à estimer ce coefficient H, donc chercher un ordre de grandeur. Alors je me simplifie les choses en supposant qu'il y a une perte juste à un endroit par segment. Le ΔT, comme je disais tout à l'heure, je ne suis pas sûr de sa valeur, je vais prendre 25 Kelvin. Je vais chercher dans une table la conductivité thermique du cuivre. j'ai de l'eau bouillante à 98 degrés et puis la longueur du barreau est à peu près 35 centimètres, ça me donne le gradient de température, donc je peux en déduire la puissance thermique pq. Je connais le diamètre du tube, enfin du barreau du cuivre, la distance entre deux thermomètres c'est 5 centimètres, et donc j'en déduis une perte de 64 W⋅m-2⋅K-1. C'est peut-être un peu beaucoup par rapport aux valeurs tabulées, mais au moins on a un ordre de grandeur. Je passe maintenant à une autre expérience que vous pourrez analyser, qui vous permettra de mieux quantifier cette perte thermique à la surface d'un métal. On va considérer un barreau de cuivre, encore une fois, avec quatre thermomètres, et cette fois-ci, on va observer l'évolution de la température aux quatre points de mesure, donc la température en fonction du temps, avec ou sans un ventilateur qui souffle sur le barreau. Commençons avec le cas statique. Voyez ici, vous avez pu apercevoir le bec bunsen qui chauffe l'extrémité du barreau, et vous avez ici maintenant, en fonction du temps, la température des quatre thermocouples. Et on voit que on approche un état stationnaire. Je vous montre ici l'entier des mesures. Bien sûr, à mi-chemin on a arrêté la flamme, c'est pour ça que le barreau se refroidit. Et je vous invite à utiliser l'équation de la chaleur pour rendre compte de ces données. J'aimerais maintenant voir comment ces données changent expérimentalement lorsque le ventilateur souffle sur le barreau. Vous voyez ici le ventilateur en fonction, et on mesure à nouveau la température en fonction du temps. On observe, surtout pour le premier thermomètre le plus proche de la flamme, des fluctuations qui viennent du fait que le ventilateur perturbe la flamme. Je vous montre maintenant l'ensemble des mesures pour ce même barreau mais avec le ventilateur allumé. Vous observez tout de suite que on a atteint un état stationnaire mais les températures sont plus faibles et je vous invite à faire une analyse du graphique pour observer que la vitesse de refroidissement est également plus grande. J'aimerais maintenant illustrer le concept de déphasage thermique. Pour se faire, je me propose d'examiner encore une fois ce barreau de cuivre, mais cette fois-ci le bec bunsen est monté sur un bras qui oscille, ce qui fait qu'il passe périodiquement sous le barreau. [AUDIO_VIDE] Là donc on a le bec bunsen qui est loin du barreau et le voilà qui passe sous le barreau et qui s'éloigne à nouveau du barreau. Je vais vous montrer l'ensemble de la mesure que voici. Notez que l'enregistrement a été fait après plusieurs passages de la flamme, du bec bunsen sous le barreau, pour que on arrive à ce régime périodique. Ce que je vous invite à remarquer, c'est que donc, évidemment que la température la plus élevée c'est celle du thermomètre qui est le plus proche de la source chaude, et vous remarquez que plus on s'éloigne de ce point chaud, plus le maximum a lieu tard. Même sur la quatrième courbe, on arrive à peine à distinguer une oscillation. Mais si on prend le temps de regarder ça attentivement, on voit qu'il y a toujours ce déphasage qui est de plus en plus grand, plus on s'éloigne de la source chaude. J'aimerais vous montrer maintenant une expérience pour laquelle la notion d'effusivité intervient. Comme cette image, cette image est une image d'une caméra infrarouge qui montre deux doigts, ces deux doigts qui ont été pressés sur des surfaces de natures différentes mais qui sont à la même température. Je vous invite à regarder la video. On voit ici un bloc qui est chauffé à 70 degrés Celsius. Dessus, on a disposé pendant longtemps un carré de bois et un carré de métal. Le préparateur va appuyer ces doigts sur les deux matériaux et ensuite les présenter à la caméra infrarouge. Ici on voit le détail, vous remarquez que la temperature décroît mais suffisamment lentement pour que la mesure initiale soit représentative de la température à l'interface entre le doigt et le métal ou le bois. Cette température-là, donc utilisant la calibration de la caméra, on voit que sur le bois, on a une température bien inférieure à ce que l'on obtient sur le métal. Comment décrire le phénomène? Eh bien, je vous propose la description suivante, je représente ici l'interface entre les deux matériaux. Initialement, un matériau à une température T1, l'autre à une température T2. T1, c'est par exemple le bois et T2, c'est le doigt. Très rapidement, lorsque ces deux matériaux sont en contact, l'un avec l'autre, ils ne vont pas rester à des températures différentes. Par effet de conduction thermique, même sur une couche très mince autour de l'interface, l'interface va prendre une température. C'est ce que j'ai représenté sur le dessin ici. Il y aura bien sûr un gradient de température, correspondant à un courant de chaleur, entre les deux matériaux. Maintenant, les deux matériaux sont présumés avoir des conductivités thermiques différentes. On a une continuité du courant de chaleur à l'interface donc, on a des pentes différentes, correspondant aux conductivités thermiques différentes. Si l'on fait l'analyse, à partir de l'équation de la chaleur, on va voir que le paramètre qui intervient c'est l'effusivité, notée ici E. E indice 1 ou E indice 2, qui dépend de la conductivité du matériau et de la chaleur spécifique du matériau, et d'une chaleur spécifique volumique. La formule que l'on obtient quand on fait l'analyse à temps court et à distance très petite par rapport à l'interface est la formule que vous voyez en ce moment. Par conséquent, si un matériau a une effusivité très petite, parce qu'il a une petite chaleur spécifique et une petite conductivité thermique, il peut être très chaud mais donner une température d'interface qui n'est pas très grande. À l'inverse, si le matériau a une très bonne conductivité thermique et une grande chaleur spécifique, alors la température de l'interface peut être très élevée, très voisine de la température du matériau lui-même. Je termine avec deux expériences en rapport avec le transfert thermique par rayonnement. Dans cette première expérience, on va mettre un thermomètre sous une cloche, à vide et on va éclairer ce thermomètre. Comme il y a un vide autour du thermomètre et que le support, je vous demande de le croire, est un matériau qui conduit très mal la chaleur. On est bien obligé de réaliser que c'est par le rayonnement que l'on a un échauffement du thermomètre. Le préparateur enclenche la lampe arc, enclenche la pompe, on commence avec un thermomètre à température ambiante. Petit à petit, on observe que la température du thermomètre augmente. Marwan Brouche mentionne la loi de Wynn dans sa leçon. J'aimerais vous montrer une petite expérience, ici, qui illustre la loi de Wynn. Vous avez une lampe halogène, dont on peut faire varier l'alimentation. Une fibre optique pointe vers la lampe halogène et est connectée à un spectromètre relié à un ordinateur. On peut ainsi mesurer le spectre de cette lampe, et on va le faire pour différentes valeurs de l'alimentation, de la puissance avec laquelle on alimente cette lampe halogène. On peut distinguer déjà sur l'écran de l'ordinateur, le spectre et le préparateur a noté d'une lettre A le maximum du spectre pour une puissance d'alimentation faible. Ensuite, le préparateur augmente la puissance, ce qui fait que l'intensité lumineuse est plus grande, il éloigne la lampe pour garder l'intensité détectée à peu près la même. Et vous devez observer que le maximum du spectre se déplace, jusqu'au point B. La mesure n'a pas d'artefact, on peut revenir dans l'autre sens, diminuer la puissance d'alimentation de la lampe, et observer que l'on revient à un maximum du spectre au point A. On peut analyser ce que veut dire la position de ce maximum avec la loi de Wynn que je rappelle ici, on a observé, notamment un maximum à 600 nanomètres et avec la loi de Wynn, cela veut dire que la température est de 4 800 degrés. Il faut interpréter cette donnée de la manière suivante : si l'on avait un four muni d'un petit trou pour que l'on puisse observer le rayonnement dans le four et que ce four était chauffé à 4 800 degrés, on observerait le même spectre que le spectre de cette lampe dans la mesure où l'on peut admettre que le spectre de cette lampe a le spectre du rayonnement dit du corps noir. Je résume, nous avons vu quelques expériences concernant les transferts thermiques. Nous avons vu un transfert thermique en régime stationnaire. Cela nous a amenés à nous poser la question des pertes thermiques à la surface d'un métal, avec ou sans r forcé. On a ensuite illustré le concept de déphasage thermique en mesurant la température en fonction du temps sur un barreau chauffé à une extrémité. Ensuite, j'ai montré une expérience de contact entre deux objets que l'on peut décrire avec la notion d'effusivité. Et finalement, on a observé un transfert thermique par rayonnement. Je vous remercie de votre attention.
