TPE vitesse de chauffe d'un liquide

[ptitcurieux]

Bonjour,

Pour mon TPE, J'aimerais étudier les propriétés thermiques de plusieurs liquides (eau, huile, etc.). je me demandais si c'est possible de le faire en comparant leur vitesse de chauffe? En tracant la courbe de la température en fonction du temps. J'ai lu que l'équation de la chaleur permet de décrire ce phénomène. Mais je ne maitrise pas cette équation, c'est pour cette raison que je fais appel à votre aide. On a un pot cylindrique chauffant sur l'ensemble de sa paroi le liquide avec une sonde de température situé au centre du cylindre. Le liquide ne remplit pas entièrement le pot, si bien qu'un faible volume d'air se trouve sur la partie haute. Est-ce qu'avec cet appareil, les graphes température = f(temps) et l'équation de la chaleur, je peux remonter aux caractérestiques de mes liquides (capacité et conductivité thermique ou autres)?

Merci pour votre aide

Le ptit curieux
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[LPFR]

Bonjour et bienvenu au forum.
On n’étudie pas simultanément la conductivité thermique et la capacité thermique d’un fluide. C’est se compliquer la vie pour rien. Les deux propriétés sont indépendantes et statiques. On les mesure donc, séparément et en statique.
Inutile de se taper l’équation de la chaleur.
La capacité thermique est la plus simple. On la mesure avec un calorimètre. Mais il faut tenir compte que cette capacité (pour l’eau, par exemple) peut dépendre un peut de la température.
Pour la conductivité thermique c’est un peu plus délicat. Car il faut éviter qu’il se produise de la convection. Pour un liquide dont la densité diminue avec la température, il faut que la couche de liquide chaude soit au dessus de celle du liquide froid.
Regardez les termes que vous ne connaissez pas dans Wikipédia et quand vous aurez des questions plus précises, revenez nous voir.
Au revoir.

[ptitcurieux]

MErci pour votre réponse rapide LPFR.
Comme je disais dans mon message, le pot chauffe le liquide sur toute sa paroi, ce qui limite la convection. Car si j'avais chauffé qu'en un point comme dans une casserole j'aurais eu de la convection, mais là j'ai seulement de la conduction car je chauffe sur toute la paroi de façon égale non?
En fait je me disais très simplement que s'il y a des liquides qui chauffent plus vite que d'autre, c'est du à leur différence de propriété thermique, du coup est-ce qu'avec des graphes température=f(temps) et une équation mathématique qui met en jeu les caractéristique thermique de mes liquide, je peux remonter à ces caractéristique?

Merci encore pour votre aide

[LPFR]

Re.
Non. Le seul moyen de ne pas avoir de convection est de chauffer par le haut (la surface haute) et que les côtés soient isolés.

Oui. En principe en regardant l’évolution thermique on devrait pouvoir remonter aux propriétés thermiques. Mais entre la théorie et la pratique il y a un monde. Surtout si on part avec des idées préconçues comme celle que vous aviez sur la convection.
A+

[A voir en vidéo sur Futura]

[ptitcurieux]

Merci encore pour votre disponibilité LPFR, vraiment.
Désolé pour mes idées préconçues, mais je suis heureux d'etre là pour en apprendre plus sur la science! En fait j'ai pris l'exemple donné sur wikipedia:

Un exemple de convection est celui du chauffage de l'eau dans une casserole. Les groupes de particules de fluide en contact avec le fond de la casserole sont chauffés (par conduction). Ils se dilatent, donc deviennent moins denses (cf. masse volumique) et se mettent en mouvement spontané vers le haut, car la poussée d'Archimède qui s'exerce sur eux devient prépondérante par rapport à leur poids. Les groupes de particules de la surface de la casserole sont refroidis par contact avec l'air ambiant, se contractent et gagnent en densité, puis plongent.

et j'en ai déduis que dans mon cas il n'y avait pas de convection comme je chauffe de la meme façon partout, aussi bien en haut qu'en bas! d'où ma question, est-ce qu'il existe une relation simple entre la température et le temps qui donne accès a ses propriété thermiques ou alors comme vous dites entre la théorie et la pratique il y a tout un monde complexe qui m'est inacessible.

Merci pour votre aide

[LPFR]

... comme je chauffe de la meme façon partout, ...

Bonjour.
C’est là où vous vous trompez. En chauffant la périphérie de l’eau vous ne chauffez pas partout. Pour le faire il faudrait que vous chauffiez de la même façon chaque endroit de l’eau. On ne peut faire ça, même pas avec des micro-ondes, car elles sont absorbées et ne chauffent que les (environ) 2 cm le plus externes de l’eau.
Au revoir.

[trebor]

Bonjour à tous,

Pour un tube aux parois fortement isolées et d'on la source de chaleur constante se trouve en haut du tube et la sonde de mesure de la température de l'eau en bas.
Exemple :
Au départ, l'eau contenue dans ce tube de mesure est à 0°C la chaleur va t'elle migrer progressivement vers le bas (plus chaude en haut et de moins en moins vers le bas ) ?

Ou une température identique qui va descendre lentement vers le bas, jusqu'à obtenir la même T° sur toute la hauteur du tube ?

Dans un boiler électrique, la résistance chauffante est en bas, les molécules d'eau se dilates, ce qui diminue la densité de l'eau en bas proche de la résistance et de ce faite l'eau monte vers le haut du boiler et l'eau plus froide descend.
Il y a donc un mouvement de l'eau à l'intérieur du boiler.

Lorsque la résistance chauffante n'est plus alimentée, le mouvement s'arrête, l'eau plus chaude reste en haut ( plus légère ) et l'eau plus froide en bas (car de plus en plus lourde).
Est aussi simple ?

Merci de me corriger

Bonne journée à tous

[LPFR]

...
Au départ, l'eau contenue dans ce tube de mesure est à 0°C ...

Re.
Je ferais une petite correction de 4°. Car la densité de l’eau et maximale à 4°.
A+

[ptitcurieux]

C’est là où vous vous trompez. En chauffant la périphérie de l’eau vous ne chauffez pas partout. Pour le faire il faudrait que vous chauffiez de la même façon chaque endroit de l’eau. On ne peut faire ça, même pas avec des micro-ondes, car elles sont absorbées et ne chauffent que les (environ) 2 cm le plus externes de l’eau.

Merci encore pour votre disponibilité LPFR! c'est justement cet aspect qui m'interesse! comme vous dites le fait de chauffer de façon uniforme au niveau des parois mon liquide ne veut pas dire qu'on chauffe de la même façon l'eau.
après si j'ai un pot chauffant qui n'est pas de grande taille, la température des parois va très vite etre celle de tout le liquide non? et puis c'est ca que j'aimerais comprendre, tant mieux si les choses sont pas si simples le but de mon projet est d'expliquer aussi pourquoi c'est pas simple. Mais j'espère qu'en même qu'en faisant hypothèse simples, on pourra arriver a une équation, car après tout la vitesse de chauffe des différents liquides n'est pas la même! il y a bien une raison derrière tout ça le tout c'est que j'arrive a expliqué ma démarche

Merci pour votre aide à tous

[LPFR]

Bonjour.
Si on considère une situation sans convection (un solide, par exemple) :
Toutes choses identiques par ailleurs, la puissance que vous pouvez transmettre par les parois externes est proportionnelle à la surface totale, laquelle est proportionnelle au carré des dimensions. Mais la capacité thermique totale est proportionnelle au volume et donc, au cube des dimensions. Le rapport [puissance transmisse]/volume augmente quand les dimensions de l’objet diminuent (rappel : toutes choses égales par ailleurs).

La grandeur qui détermine la vitesse à laquelle un corps se réchauffe est la diffusivité thermique, qui est le rapport entre la conductivité thermique et la capacité thermique volumique.

Donc, pour au corps mauvais conducteur de la chaleur, comme la plupart des isolants et liquides non conducteurs électriques, le processus de réchauffement est lent.

Mais si la convection est possible (nécessairement un fluide) alors la conduction de la chaleur peut être très élevée car c’est le fluide chaud qui se déplace et transporte la chaleur.

Un exemple courant est celui de l’eau dans la cuisine. Pour chauffer l’eau claire, il suffit de la mettre sous le feu. La convection se charge de distribuer la chaleur dans tout le volume. Mais si ce n’est pas de l’eau claire mais une sauce qui a été épaissie (avec de la maïzena, par exemple), la convection n’existe plus ou est très réduite. Le fond du liquide chauffe sans transmettre al chaleur jusqu’à ce qu’il se décompose et « s’attache ». Pour éviter cela, il faut remuer la sauce en permanence pour remplacer la convection.

Donc, pour la « vitesse à laquelle un liquide chauffe » il faut tenir compte du coefficient de diffusivité thermique mais surtout de sa viscosité, s’il y a de la convection.
Au revoir.

[ptitcurieux]

Je me répète mais merci beaucoup pour votre aide LPFR!

Toutes choses identiques par ailleurs, la puissance que vous pouvez transmettre par les parois externes est proportionnelle à la surface totale, laquelle est proportionnelle au carré des dimensions. Mais la capacité thermique totale est proportionnelle au volume et donc, au cube des dimensions. Le rapport [puissance transmisse]/volume augmente quand les dimensions de l’objet diminuent (rappel : toutes choses égales par ailleurs).

Donc si j'ai bien compris, la puissance thermique est proportionnel à la surface totale de mes parois. Cette surface est proportionnel au carré des dimensions de mon pot chauffant (donc proportionel au carré de la hauteur de mon cylindre???). Soit Pth = A x h² avec A une constante.
La capacité thermique est proportionnel au volume de mon pot, donc au cube de ma hauteur. Donc Cth = B x h³
Donc Pth/volume = (A x h²/h³) = A/h donc plus h diminue plus la puissance augmente, donc ca confirme ce que je pensais, comme mon pot est petit, il va chauffer mon liquide rapidement, non???

Un exemple courant est celui de l’eau dans la cuisine. Pour chauffer l’eau claire, il suffit de la mettre sous le feu. La convection se charge de distribuer la chaleur dans tout le volume. Mais si ce n’est pas de l’eau claire mais une sauce qui a été épaissie (avec de la maïzena, par exemple), la convection n’existe plus ou est très réduite. Le fond du liquide chauffe sans transmettre al chaleur jusqu’à ce qu’il se décompose et « s’attache ». Pour éviter cela, il faut remuer la sauce en permanence pour remplacer la convection.

Du coup comme je pensais étudier aussi la vitesse de chauffe de liquide visqueux comme le miel ou l'huile d'olive, est-ce que je dois rajouter un barreau aimanté dans mon pot pour remplacer la convection? en faisant ca je ne fausse pas l'expérience???

Donc, pour la « vitesse à laquelle un liquide chauffe » il faut tenir compte du coefficient de diffusivité thermique mais surtout de sa viscosité, s’il y a de la convection.

Mais moi c'est ce que j'aimerais bien pouvoir trouver par moi-même, à la limite la viscosité je peux bien la trouvé sur le net mais les propriétés thermique c'est mon projet d'où ma question sur l'équation de la chaleur. Est-ce que c'est impossible du coup??? on peut rien déduire de la vitesse de chauffe de mes liquides, faut forcément que j'utilise d'autres appareils pour trouver les propriétés thermique de mes liquides??

Merci encore pour votre aide à tous

[LPFR]

Bonjour.

Donc si j'ai bien compris, la puissance thermique est proportionnel à la surface totale de mes parois. Cette surface est proportionnel au carré des dimensions de mon pot chauffant (donc proportionel au carré de la hauteur de mon cylindre???). Soit Pth = A x h² avec A une constante.
La capacité thermique est proportionnel au volume de mon pot, donc au cube de ma hauteur. Donc Cth = B x h³
Donc Pth/volume = (A x h²/h³) = A/h donc plus h diminue plus la puissance augmente, donc ca confirme ce que je pensais, comme mon pot est petit, il va chauffer mon liquide rapidement, non???

Non. Vous déformez mes propos. C’est du n’importe quoi. Je dis « toutes choses égales par ailleurs » que vous ignorez. Je dis « Le rapport [puissance transmisse]/volume augmente... » et vous traduisez par « la puissance augmente ».

Du coup comme je pensais étudier aussi la vitesse de chauffe de liquide visqueux comme le miel ou l'huile d'olive, est-ce que je dois rajouter un barreau aimanté dans mon pot pour remplacer la convection? en faisant ca je ne fausse pas l'expérience???

Oui. Vous la faussez complètement.
(Et, pour mélanger un liquide, un barreau aimanté ne suffit pas. Il faut qu’il tourne).

Mais moi c'est ce que j'aimerais bien pouvoir trouver par moi-même, à la limite la viscosité je peux bien la trouvé sur le net mais les propriétés thermique c'est mon projet d'où ma question sur l'équation de la chaleur. Est-ce que c'est impossible du coup??? on peut rien déduire de la vitesse de chauffe de mes liquides, faut forcément que j'utilise d'autres appareils pour trouver les propriétés thermique de mes liquides??

On vous l’a déjà expliqué. On ne mesure pas toutes les propriétés simultanément.
Au revoir.