MP 2016/2017 exercices physique-chimie 4
d) On définit par R =
T T
Q
1 2
la résistance thermique conductive . Calculer la résistance thermique de l'ailette .
Application numérique : L = 38 cm ; diamètre de la tige d = 1 cm ; λ = 389
1
.
2) On suppose maintenant que, la tige n'étant plus isolée, l'ailette est refroidie le long de sa surface par une
circulation de fluide à la température
T
. Un élément d'aire dσ de la surface latérale de l'ailette, de température
moyenne T, échange, par seconde, avec le milieu extérieur supposé tout entier à la température
T
, une quantité
de chaleur égale à ( phénomène de convection ) : δq' = h.( T -
T
).dσ où h est le coefficient d'échange de chaleur
( supposé uniforme et indépendant de la température ) .
Un bilan thermique appliqué à une tranche d'ailette, délimitée par les section droites à l'abscisse x et x + dx ,
permet d'obtenir une équation définissant la répartition des températures : en régime permanent, par unité de
temps, la quantité de chaleur qui entre, par conduction, par la section d'abscisse x est égale à la somme de celle
qui sort, par conduction, par la section d'abscisse x + dx et de celle qui sort, par convection, de la surface latérale
de la tranche considérée .
a) Ecrire le bilan thermique et montrer que la température, dans une section droite d'abscisse x vérifie l'équation
différentielle :
( )
d T
dx m T T
e
2
2
2
0− − =
.
b) Déterminer l'expression du coefficient m en fonction des données du problème . Application numérique .
c) Ecrire la solution générale de l'équation différentielle .
e) On se place dans le cas théorique d'une ailette de longueur infinie . On se fixe comme conditions aux limites :
l'extrémité A est à la température
T
, "l'extrémité" B à la température
T
=
T
du fluide extérieur .
α) Préciser la solution de l'équation différentielle . Donner l'allure de la variation de température dans
l'ailette .
β) Calculer la quantité de chaleur s'écoulant par conduction à travers la base de l'ailette ( en A ) ainsi que
la quantité de chaleur transmise par convection à partir de la surface de l'ailette .
χ) Quelle distance sépare deux points de l'ailette pour lesquels on relève respectivement des
températures de 403 K et 373 K, la température du fluide extérieur étant
T
= 303 K ?
δ) L'ailette pourra être assimilée à une tige de longueur infinie lorsqu'en son extrémité, l'écart de
température T -
T
est très petit, de l'ordre de 1 % de la valeur initiale
T
-
T
en x = 0 . Ecrire la condition liant
dans ce cas la longueur de la tige et la coefficient m . Application numérique .
Données numériques : λ = 389
1
; h = 155
2 1
29)
Un tuyau cylindrique en plomb, de rayon intérieur R = 2,5 cm, de rayon extérieur R' = 3 cm, est entouré par un
manchon isolant d'épaisseur E = 10 cm . Ce tuyau contient de l'eau au repos et il est placé à l'extérieur .
Données : - conductivités thermiques (
1
) : plomb 35 isolant 0,03
- Chaleurs massiques (
J K kg. .
1
) : eau 4185 plomb 129
- masse volumique du plomb : 11340
kg m.
3
1) L'ensemble étant initialement en équilibre thermique à
= + 4 °C, la température extérieure décroît
proportionnellement au temps jusqu'à
= - 5 °C pendant 12 heures . On considère la rempérature de l’eau
uniforme. On donne l’expression de la résistance thermique dans le cas d’un cylindre de longueur L, de rayon
intérieur r et rayon extérieur r
o
:
λπ
=r
r
ln
L..2
1
R
o
ther
.
Déterminer la loi d'évolution de la température de l'eau en
fonction du temps . Calculer la température atteinte au bout de 12 heures.
2) La température extérieure se stabilise ensuite à
= - 5 °C. Pendant combien de temps cette situation peut-
elle se prolonger sans qu'il y ait le risque de gel pour la canalisation ?
3) Quelle serait l'évolution de la température de l'eau si, lorsque la température extérieure atteint
, on
remplaçait l'eau contenue dans le tuyau par de l'eau à la température
? Conclusion quant à la protection des
canalisations d'eau contre le gel ?
solutions :
1) on obtient l’équation différentielle
d
dt C R C R
ther ther
ext
θθ θ+ =
1 1
. .
2) t = 6,3 heures 3) t = 12,04 heures
30)
Un tube de rayon
R
1
( conduite d’eau chaude, fil électrique) est entouré d’un manchon, de rayon extérieur
R
2
et de conductivité λ, qui l’isole de l’extérieur ( ici de l’air à la température
T
o
) . Les échanges thermiques
entre la surface du tube et l’isolant sont caractérisés par un coefficient de transfert h : la puissance thermique