Température et cloche a vide

[PimPamPoumm]

Bonjour à tous,

Que se passe-t-il si on met un élément chauffant dans le vide ?
Je m'explique ;
- Si nous faisons le vide dans une cloche à vide. Le "vide" n'étant pas parfait, il reste des molécules d'air. On obtiendra donc un état d'équilibre thermique où la température à l'intérieur sera la même température extérieure (disons 25°C).
- Si dans cette cloche il y a un élément chauffant. Il va chauffer le peu d'air qui reste dans la cloque, qui va chauffer les parois, qui vont échanger avec l'air extérieur,... On arrivera alors à un nouvel équilibre thermique où la température intérieure aura augmenté (disons 70°C à l'intérieur, 40°C à l'extérieur à proximité de la cloche et toujours 25°C ambiant (loin de la cloche)).

Déjà, est-ce que ma réflexion est bonne ?
Comment se passe le transfère thermique entre l'élément chauffant et le presque-vide?
Arriverions-nous au même équilibre thermique si nous n'avions pas fait le vide ?
Dans ce presque-vide, l'élément chauffant va t'il monter plus vite en température, plus haut ?

Merci d'avance pour vos explications
PimPamPoumm
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[harmoniciste]

Bonjour
Votre reflexion est correcte.
Le "presque vide" interne de la cloche assurera une mauvais transfert de chaleur entre l'élément chauffant et l'extérieur et il sera mal refroidi, d'où sa surchauffe.
A terme sa chaleur ne pourra s'évacuer que par rayonnement, quand il aura atteint l'incandescence. Peu probable qu'il supporte ce traitement !

[Sethy]

N'est-ce pas là, le fonctionnement des anciennes ampoules à filament ?

Mieux valait quand même ne pas la dévisser juste après extinction

[RomVi]

A terme sa chaleur ne pourra s'évacuer que par rayonnement, quand il aura atteint l'incandescence. Peu probable qu'il supporte ce traitement !

Il n'y a pas besoin d'atteindre l'incandescence pour commencer à rayonner.
Si on supprime l'air de la cloche la différence de température de l'objet avec l'ambiant sera en gros 2 fois haute qu'en présence d'air.

[A voir en vidéo sur Futura]

[trebor]

Il n'y a pas besoin d'atteindre l'incandescence pour commencer à rayonner.
Si on supprime l'air de la cloche la différence de température de l'objet avec l'ambiant sera en gros 2 fois haute qu'en présence d'air.

Bonsoir, (2 fois haute ???) peut être dit autrement, l'air isole +/- 2 fois mieux que le vide d'air.

[RomVi]

Je devrais me relire avant de poster...

En gros un objet suspendu au bout d'un fil (pour s'affranchir des pertes par conduction) dissipe sa chaleur à 50% sous forme radiative et 50% convective.
Bien sur il ne s'agit que d'une grossière approximation, ce rapport peut être modifié par la forme et l'émissivité de l'objet, et ça ne marche qu'avec une différence de température de quelques degrés à dizaines de degrés. A haute température la radiation prend le dessus.

Dans une cloche à vide, pour une même puissance à dissiper, l'objet ne peut plus échanger par convection, donc il se stabilisera à une température plus élevée. La différence avec l’environnement sera environ 2 fois plus grande.

[PimPamPoumm]

à tous,


Super merci pour les explications.
Ce n'est pas vraiment mon domaine de compétence, mais c'est hyper intéressant.


Encore merci

[Black Jack 2]

Bonjour,

Estimation pratique.

Une résistance de 7 W donne dans un catalogue : échauffement dans l'air calme de 308°C
Cette résistance a un diamètre de 8 mm et une longueur de 22 mm

Donc, à 25°C d'ambiance, la température de la résistance (dissipant 7 W) est de 333 °C (dans l'air calme)

La surface extérieure de cette résistance est de 653 mm²
Si on compte un coefficient d'émissivité de 0,9, la résistance dissipe environ 4,2 W par rayonnement (epsilon*Sigma.S.T^4) et 2,8 W par convection.

Si on dissipe 7 W dans la résistance mais sous vide (les autres conditions restant les mêmes), la température de la résistance monte à 683 K (soit 410 °C)

Donc évidemment la température sous vide est plus élevée que dans l'air ... mais pas tant que cela.
*******

Evidemment, la résistance sous le vide va cramer si on lui fait dissiper 7 W, il faut diminuer la puissance pour l'éviter.

On trouve souvent qu'on doit diminuer la puissance d'environ 30 % sous vide par rapport à l'air calme... mais cela dépend évidemment de plein de choses (coefficient d'émissivité et autres ...)

[PimPamPoumm]

à tous,


OK pour les 4.2W par rayonnement dans les conditions "normales".
Comment calculez-vous la température dans le vide ?


Merci d'avance

[jacknicklaus]

Apparemment : °C

[Black Jack 2]

à tous,


OK pour les 4.2W par rayonnement dans les conditions "normales".
Comment calculez-vous la température dans le vide ?


Merci d'avance

Bonjour,

Voir quelques explications ici :

https://www.lyc-diderot.ac-aix-marse...s%20au%20blanc.

Puissance émise par rayonnement : P = Sigma * T^4 * S * epsilon

Avec P en W, Sigma = 5,67.10^-8 W.m^-2*K^-4 la constante de Boltzmann, T la température en Kelvin , S la surface du corps qui émet (en m²), epsilon le coefficient d'émissivité du corps (compris entre 0 et 1 ... avec pour une résistance "vitrifiée"; epsilon = 0,9 est un bon ordre de grandeur)

Dans l'exemple, la résistance est telle que : S = 653.10^-6 m² et epsilon = 0,9, on a :

La puissance rayonnée par la résistance est : P1 = 5,67.10^-8 * T^4 * 653.10^-6 * 0,9 = 3,33226.10^-11.T^4

La résistance reçoit de l'extérieur (qui est à 25°C, soit 298 K) un puissance P2 = 5,67.10^-8 * 298^4 * 653.10^-6 * 0,9 = 0,263 W

La puissance échangée avec l'extérieur par la résistance est P = P1 - P2 = 3,33226.10^-11.T^4 - 0,263

Et si on envoie 7 W dans la résistance, la température de la résistance se stabilisera à la température T (en K) telle que :

3,33226.10^-11.T^4 - 0,263 = 7

--> T = 683 K (soit 410 °C)

[PimPamPoumm]

Peut-on rêver mieux comme explication ?...

Merci, merci, et merci encore !

[RomVi]

Comme je l'ai signalé plus haut la fraction dissipée par rayonnement dépend de la différence de température ; il n'y a pas de répartition donnée.
A titre d'illustration j'ai calculé le coefficient d'échange par rayonnement (n bleu) et convection (en rouge) pour un petit cylindre de 1 cm de diamètre avec e=0.9 en fonction de la différence de température avec l'ambiant.