TP L3 Physique chimie Plate forme TTE C E S I R E Université Joseph Fourier Grenoble

Joseph Fourier Grenoble

Description

Niveau: Supérieur, Licence, Bac+3
TP - L3 Physique-chimie -Plate-forme TTE - C.E.S.I.R.E. - Université Joseph Fourier - Grenoble ETUDE DU RÉFRIGÉRATEUR POUR PROFITER AU MAXIMUM DES TP, IL FAUT ÊTRE BIEN PRÉPARÉ. LES QUESTIONS DU ?5.2 SONT ALORS À RÉDIGER AVANT DE VENIR EN TP. PAR AILLEURS, L'ENSEIGNANT VÉRIFERA LA BONNE PRÉPARATION PAR QUELQUES QUESTIONS EN DÉBUT DE TP. PENDANT LA SÉANCE, LES MESURES ET LEUR ANALYSE SONT À NOTER DE FAÇON DÉTAILLÉE DANS UN CAHIER COMMUN À TOUS LES TP. EN REVANCHE, LE COMPTE-RENDU DOIT ÊTRE CONCIS (UNE FEUILLE DOUBLE, I.E. 4 PAGES) PRÉSENTANT LES PRINCIPAUX RÉSULTATS AVEC LEURS INCERTITUDES ET UNE CONCLUSION. A RENDRE SOUS 10 JOURS. But du T.P. L'objet de ce TP est de : - comprendre le principe de fonctionnement d'un réfrigérateur domestique, les idées de base concernant sa construction, son mode de fonctionnement et l'origine des recomman- dations faites aux particuliers pour allonger sa durée de vie. - mettre en évidence les analogies et les di?érences avec une pompe à chaleur. La machine utilisée dans cette expérience simule le compartiment d'un réfrigérateur do- mestique pouvant contenir des boissons, des légumes,... maintenus vers 3 à 4 °C. Les réglages et contrôles en cours de manipulation devront veiller à éviter des températures négatives dans la partie de l'appareil représentant la charge utile à refroidir.

• échange de chaleur avec les sources chaude


• chaleur


• sortie du compresseur


• voisinage de la température ambiante


• fluide


• pression constante


• source froide

Sujets

• Détente
• Manipulation
• Thomson
• Chaleur

Informations

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• Langue: Français

Extrait

TP-L3Physique-Plate-formeTTE-.CE.S.I.R.E.-UnviersitéJosephFourier-Grenoble

ETUDEDURÉFRGIÉRATEUR

B UT DU T.P. L’objet de ce TP, qui comprend deux parties, est de : comprendre le principe de fonctionnement d’un réfrigérateur domestique, les idées de base concernant sa construction, son mode de fonctionnement et l’originedesrecommandationsfaitesauxparticulierspourallongersaduréedevie. Mettreenévidencelesanalogiesetlesdifférencesavecunepompeàchaleur.Lamachineutiliséedans cette expérience simule le compartiment d’un réfrigérateur domestique pouvant contenir des boissons, deslégumes,...maintenusvers3à4C.Lesréglagesetcontrôlesencoursdemanipulationdevrontveiller àéviterdestempératuresnégativesdanslapartiedel’appareilreprésentantlachargeutileàrefroidir. Dans ces conditions, dans le cas d’un réfrigérateur domestique les bouteilles pourraient exploser. Sur lamachineutiliséeenTP,ilseformeraitdelaglacedansl’échangeuretlamanipulationdevraitêtre interrompue pour remettre en état les circuits ce qui peut prendre de 30 minutes à plusieurs jours suivant lesdégâtsoccasionnés(sansparlerducoûtdelaréparation!). La notation ()docqueechaôtédgeàc)sielcznousngi«elAmecuanntezltdoleuessuorrexenalc: expériences».

1. S YSTÈME FERMÉ S YSTÈME EN ÉCOULEMENT On peut distinguer 2 types de système thermodynamique : - les systèmes fermés : ces systèmes peuvent échanger de l’énergie (sous forme de chaleur ou de travail) avec l’extérieur mais n’échangent pas de matière. - les systèmes ouverts : ces systèmes peuvent échanger de l’énergie (sous forme de chaleur ou de travail) avec l’extérieur mais également de la matière. Parmi les systèmes ouverts, les systèmes en écou- lement permanent sont particulièrement utilisés dans nombre de moteurs et machines thermiques. Les énoncés des deux premiers principes appliqués à ces deux types de système sont résumés dans le tableau suivant. Pour les démonstrations correspondantes)odc. Système fermé Système en écoulement permanent Massemconstante Débit massiquem_constant Premier principe _ _ 4U=W+Q m_ ¢H tot =W+Q _ _ U,WetQ WetQascnupsidtsesnoW)(uesténi sontdesénergies(unité)JH tot euu(inéteiamssqiuneénergest)gk/J Deuxième principe _ _ ¢S=S che +S rir m_ ¢S=S ceh +S rri Exemple de machines MoteuràexplosionàallumagecommandéTurbopropulseur,turboréacteur(cycledeJoule) (moteur à essence-cycle de Beau de Centrale thermique Rochas ou Otto) (cycle de Rankine ou de Hirn) Moteur à explosion à allumage par compression Réfrigérateur, pompe à chaleur (Moteur Diesel-cycle de Diesel) (cycle de Hirn inversé)

2. R APPEL SUR LES MACHINES THERMIQUES 2.1.re,oeifdurrcsoouchScedeau.quséontii-naDselsrvuosegadethermodynamiqu,elixesietd2éin valentes 1) La source chaude est la source qui cède de la chaleur, la source froide celle qui reçoit de la chaleur, au cours d’un cycle. 1

2)Lasourcechaudeestlasourcequiseréchauffe(quireçoitdelachaleur),lasourcefroideestla sourcequiserefroidit(quicèdedelachaleur),aucoursd’uncycle. Dansl’exempleduréfrigérateur,sil’onutiliseladénition1,lasourcefroideestlacuisineoùsetrouve leréfrigérateur,alorsquel’utilisationdeladénition2impliquequelasourcefroideestl’intérieurdu réfrigérateur. DanslasuiteduTPnousutiliseronsladénition2,plusprochedusenscommunmaisquipeutentrai- ner une confusion entre la notion de chaleur et celle de température.

2.2.imuqhtre.eurteMoUn moteur fournit du travail à l’extérieur doncWest négatif. Il prélève une quantité de chaleurQ 2 à la source chaude et restitue une quantité de chaleurQ 1 à la source froide. Le cycle est décrit dans le sens horaire.

2.3.riéf(rueurteragénihcaMqimrehte.uooppmàehclaue)rUne telle machine consomme un travail mécaniqueW, prélève une quantité de chaleurQ 1 à la source froide et en restitue une quantité de chaleur Q 2 itdansleeestdécrnomotéiressnrtgiàlouaseL.elcyccecrduahnauo(euqiaroh-it).re 2.4.Rendement.it;easet-msér"ovrehtriimree"qugrdedeanerinrptanE’lnuqieusouredesstuncese pératured’équilibren’estpassensiblementmodiéeparlaquantitéd’énergiequ’onluicèdeouqu’on luiprélève.L’autresourceestuneenceinteisoléedevolumeniquiatteintunetempératured’équilibre quandl’énergieprélevéeoucédéeparlamachineestcompenséeparlespertesduesàl’imperfectionde l’isolation. Dansunemachinefrigorique,lasourcechaudeestleréservoirthermiquesupposéinni(airde lapiècepourunréfrigérateur,circulationd’eaud’unclimatiseur)etlasourcefroide,levolumenià refroidir(intérieurdel’armoireetsoncontenupourunréfrigérateur,piècepourunclimatiseur).Dans unepompeàchaleur,lasourcefroideestleréservoirthermiquesupposéinni(rivièreouatmosphère) qui représente une source d’énergie gratuite (pour le compte en banque !) et la source chaude le volume niàréchauffer(habitation,piscine). Pourlesmoteurs,onpeutdénirlerendementcommelerapportdel’énergieintéressante(travail W) à l’énergie qu’il a fallu payer (chaleur prise à la source chaudeQ 2 jours.C)reneedemtnsettuo inférieur à 1 et vaut1¡T 1 =T 2 dans le cas idéal d’un cycle de Carnot réversible. Pour les machines thermiques,onpréfèredénirunCOefcientdePerformance(COP)ouefcacité,commelerapportde l’énergieintéressante(chaleurprélevéeàl’évaporateurenmachinefrigorique:Q 1 ; ou chaleur cédée au condenseur en pompe à chaleur :Q 2 ) à l’énergie qu’il a fallu payer (travailWpartapluC.)POCeltse du temps supérieur à 1, dans le cas des machines thermiques, et vautT 1 =(T 2 ¡T 1 )pour un réfrigérateur dans le cas idéal d’un cycle de Carnot réversible. EnpréparantceTP,vousrééchirezàladifférenceentrelecoefcientdeperformanceetlerendement thermodynamique (toujours inféieur à 1) habituellement présenté en cours.

2.5.thalEnpie.eeln,tssicsapimhlqpiseuuelhsmsreuidetuniLseesnmutilricneruetropolacitcu fermé qui subit une succession de transformations ou cycle. Ce cycle permet de faire fonctionner la machine en continu. Ce type de machine s’appelle “machine à écoulement permanent” et constitue un système ouvert. Pourlesdécrirecorrectement,considéronsunepetitepartieduuidecaloporteurconstituantunsys- tème fermé, condition nécessaire pour pouvoir appliquer le premier principe de la thermodynamique. Supposonsqueceuidepassed’unétatcaratériséparlevolumeV 1 et la pressionP 1 à l’état caractérisé par le volumeV 2 et la pressionP 2 . 2