Aurélie jan 04

Energie interne, transferts thermiques

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On se propose de déterminer expérimentalement la variation d’énergie interne de 1g d’eau liquide lorsque sa température augmente de 1°C.

Pour cela, on apporte de l’énergie par mode travail mécanique à de l’eau contenue dans un calorimètre (un calorimètre est un vase très bien calorifugé, c’est à dire qu’il limite au mieux le transfert thermique entre l’intérieur du vase et le milieu environnant)

Deux cylindres D et D’ ont chacun une masse M. Pendant leur descente qui s’effectue sur la hauteur h , elles entraînent en rotation un ensemble de palettes dans l’eau du calorimètre ; on remonte ces cylindres avec une manivelle, et pendant la remontée, un système de découplage permet de ne plus entraîner les palettes qui alors sont immobiles. Pendant la descente, le système mécanique qui transforme le mouvement de translation des masses en mouvement de rotation des palettes a un rendement énergétique de 45%.

  1. Etablir la variation d’énergie d’un cylindre D ou D’ pendant la remontée sur la hauteur h ; quelle est la nature de cette énergie ?
  2. Etablir l’expression de la variation d’énergie interne de l’eau du calorimètre au bout de n descentes.
  3. Pour l’application numérique M = 1,00 kg ; h =1,5 m ; le volume d’eau dans le calorimètre est 0,50 L ; on constate qu’après n = 140 descentes , la température de l’eau s’est élevée de 0,89 °C.
    - Calculer la valeur de la variation d’énergie interne de l’eau du calorimètre.
    - Quelle est la valeur de la variation d’énergie interne de 1 g d’eau liquide lorsque sa température augmente de 1°C ?

corrigé
variation d’énergie d’un cylindre D ou D’ pendant la remontée sur la hauteur h :

c'est la variation d'énergie potentielle D Ep=Mgh ; nature, c'est de l'energie était mécanique.

L'énergie interne est l'énergie emmagasinée par un système, autre que l'énergie cinétique macroscopique et l'énergie potentielle due à l'action des corps extérieurs.

Energie transmise à l'au à chaque descente d'un cylindre : rendement * variation d'énergie potentielle de pesanteur

et pour n descentes : n*rendement* variation d'énergie potentielle de pesanteur = n *0,45 Mgh

Energie transmise au 0,5 litre l'eau par 1 descente d'un cylindre = 0,45 * 1 * 9,81 * 1,5 = 6,622 J

Il y a 140 descentes et 2 cylindres -> 140 * 2 * 6,62175 = 1854 J.

cette énergie est calculée pour 500 g d'eau, soit :

1854 / 500 = 3,71 J pour 1 g d'eau ( ou pour 1 cm3 d'eau)

Cette énergie élève la température de 0,89°C

Pour élever le température de 1 cm³ d'eau de 1°C, il faut donc 3,71/0,89 = 4,17 J.





Au cours d'un marathon effectué à 32°C avec un taux d'humidité faible , la puissance thermique produite par le corps humain est 1000 W. La température cutanée étant de 33 ° C enciron , les transferts thermiques vers l'extérieur par conduction avec l'air ambiant , par convection et par rayonnement sont faibles.

  1. Par quel processus le corps évacue t il spontanément de la chaleur ?
  2. L'évaporation d'un gramme de sueur nécessite 2430 J. Quelle qantité de sueur doit être évaporée chaque seconde pour que la température du corps n'augmente pas ?
  3. Le débit sudoral maximal est de 0,25 g par seconde. Quelle est l'augmentation d'énergie thermique du corps par seconde ?
  4. Une augmentation d'énergie thermique de 315 kJ entraîne une augmentation de la température corporelle de 1°.Au bout de quelle durée la température corporelle aura telle augmenté de 1°?
  5. Quel moyen est utilisé par les marathoniens pour éviter une augmentation trop importante de la température corporelle ?

corrigé
la transpiration

énergie qui doit être évacuée à chaque seconde : 1000 J

masse de sueur qui doit s'évaporer à chaque seconde afin que la température du corps n'augmente pas : 1000/2430= 0,41 g.

le débit sudoral reste insuffisant : 0,41-0,25 = 0,16 g

l'énergie thermique correspondante vaut : 0,16*2430 = 388,8 J.

la température corporelle augmente de 1°C au bout de : 315 000 / 388,8 = 810 s soit 13 min 30s.

le marathonien doit donc s'asperger d'eau et cela de manière régulière.



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