PHYSIQUE

1
PHYSIQUE
J-M R. D-BTP
2006
2
Généralités
Statique
Hydrostatique
Cinématique
Thermique
Physique appliquée au génie climatique
3
Généralités
Masse
Poids
Définition de létat dun corps
Masse volumique
Densité
Poids volumique
Travail
Energie
Puissance
Unités fondamentales
4
Masse
La masse ( m ) représente la quantité de matière
que contient un corps. Tous les corps sont
constitués de matière, donc tous les corps ont
une masse. La quantité de matière ou la masse ne
varie pas quel que soit le lieu ou les
contraintes qui sexerce sur le corps donc La
masse est immuable . Lunité de masse est le
kilogramme ( kg ).
Le kilogramme reste la masse prototype en platine
iridié, sanctionné par la conférence générale des
poids et mesure de 1889 et déposé au pavillon de
Breteuil à sèvres. Le kilogramme et aussi la
masse de 1 dm³ deau pure à 4C.
5
Poids 1/3
Le poids ( Pd ) dun corps est lattraction que
la terre exerce sur ce corps. Cette attraction ou
poids du corps est dautant plus grande que la
quantité de matière donc la masse du corps est
grande. Cette attraction ou poids du corps varie
en fonction de la latitude et de laltitude,
lattraction est plus grande près du noyau de la
terre. Sur le territoire français métropolitain,
la variation maximum est de 1/1000 ème. Le poids
est variable. Lunité de poids est le Newton ( N
).
Isaac NEWTON ( 1643 1727 )
6
Poids 2/3
Le poids ( Pd ) est le produit de la masse ( m )
et de lattraction terrestre ( g ).
A Paris et par extension sur tout le territoire
français, g 9,81 N/kg.Un corps qui a une
masse de 1 kilogramme a donc un poids de 9,81
N. Observation en état dapesanteur, g 0
N/kg, le poids sera donc nul. Le poids étant
variable, on préférera utiliser la masse qui elle
est invariable.
7
Définition de létat dun corps
Létat dun corps (solide, liquide ou gazeux)
peut se définir par la variation possible de la
forme ou du volume du corps.
Forme Volume
Solide
Liquide
Gaz
constant
constante
constant
variable
variable
variable
Un fluide a une forme variable. Un liquide est un
fluide incompressible. Un gaz est un fluide
compressible.
8
Masse volumique
La masse volumique ( ? ), est le rapport de la
masse dun corps (m) sur son volume (V).
On exprime généralement le masse volumique en
kg/m3 pour les gaz et en kg/dm3 pour les solides
et les liquides.
9
Masse volumique
Quelques exemples de masse volumique
1 kg/dm3 Leau à 4 C
1,293 kg/m3(n) Lair à 0 C
0,84 kg/dm3 Le fioul domestique
11,3 kg/dm3 Le plomb
13,6 kg/dm 3 Le mercure

10
Densité des solides
La densité (d) dun corps liquide ou solide est
le rapport de la masse du corps à la masse du
même volume deau à 4 C.
La densité est aussi le rapport des masses
volumiques.
11
Densité des solides
Si on lon exprime les masses volumiques du corps
et celui de leau en kg/dm3, on obtient
Pour les corps solides ou liquides la valeur de
la densité est identique à celle de la masse
volumique exprimée en kg/dm3.
Exemple Le plomb a une masse volumique de
11,3 kg/dm3, Le plomb a donc une densité de
11,3. Le plomb est donc 11,3 fois plus
lourd que leau.
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Densité des gaz
La densité (d) dun gaz est le rapport de la
masse du même volume dair sec à 0C et à 1013
hPa de pression absolue.
La densité est aussi le rapport des masses
volumiques.
13
Densité des gaz
Si on lon exprime les masses volumiques du corps
et celui de lair en kg/m3, on obtient
Pour les gaz la valeur de la densité est
différente de celle de la masse volumique
exprimée en kg/m3.
Exemple Lazote a une masse volumique de
1,25 kg/m3, Lazote a une densité de 0,97.
Sa masse volumique est supérieure à 1 et
pourtant sa densité est inférieure à 1 ! NE
PAS CONFONDRE DENSITE ET MASSE VOLUMIQUE !!
14
Poids volumique
On exprime généralement le poids volumique en
N/m3 pour les gaz et en N/dm3 pour les solides et
les liquides.
15
Poids volumique
16
Travail
Au sens commun  travailler  cest déplacer des
forces (pousser une brouette, soulever des tubes,
fileter, percer un mur) cest aussi le sens
physique du travail
W F . d
Pour déplacer une force F de 1 Newton dune
distance d de 1m, on effectue un travail W de 1
Joule. Le Joule est lunité légale du travail et
est égal à 1 N.m.
James Prescott JOULE ( 1818 1889 )
17
Energie
Pour effectuer un travail, il faut de lénergie,
en effectuant le travail, on consomme de
lénergie, on consomme autant dénergie que lon
a effectué de travail. Lénergie et le travail
ont donc la même unité, le Joule (J).
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Energie potentielle
Lénergie potentielle dun solide dépend de sa
masse, de laccélération de la pesanteur et de la
hauteur de chute libre.
Ep m . g . z
m en kg, g en m/s², z en m, Ep en
Joules
Exemple
Ep 10 kg . 9,81 m/s² . 10 m 981 J
19
Energie cinétique
Lénergie cinétique dun solide en mouvement
dépend de sa masse et de sa vitesse.
Ec ½ . m . v²
m en kg, v en m/s, Ec en Joules
Exemple 1
v 108 000 m/h / 3600 s/h 30 m/s Ec ½ .
1000 kg . 30 m/s . 30 m/s Ec 450 000 J 450 kJ
20
Energie cinétique
Lénergie cinétique dun solide en mouvement
dépend de sa masse et de sa vitesse.
Ec ½ . m . v²
m en kg, v en m/s, Ec en Joules
Exemple 2
v 216 000 m/h / 3600 s/h 60 m/s Ec ½ .
1000 kg . 60 m/s . 60 m/s Ec 1 800 000 J 1
800 kJ
21
Energie mécanique
Lénergie mécanique dun solide est la somme de
lénergie cinétique et de lénergie potentielle
de ce solide.
Em Ec Ep
Tant quaucun travail na été effectué, lénergie
est conservée. Le solide conservera donc la
totalité de son énergie mécanique.
22
Energie mécanique
Toute lénergie est potentielle Ep 981 J, Ec
0 J, Em 981 J
Lénergie mécanique est conservée Em 981
J Lénergie potentielle nest plus que Ep
490,5 J Lénergie cinétique est maintenant
Ec 490,5 J
Lénergie mécanique est conservée Em 981 J
Lénergie potentielle est nulle Ep
0 J Toute lénergie est cinétique
Ec 981 J
23
Energie mécanique
On peut calculer la vitesse au moment de limpact
au sol
14 m/s
On peut noter quon obtiendrait la même vitesse
si la masse du solide était différente. (la masse
et lénergie cinétique étant directement
proportionnelles.  dans le vide, tous les corps
chutent à la même vitesse 
Lénergie mécanique est conservée Em 981 J
Lénergie potentielle est nulle Ep
0 J Toute lénergie est cinétique
Ec 981 J
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Puissance
Le travail qui est effectué dans un certain
temps, ou le temps qui est nécessaire pour
effectuer un travail, dépendent de la puissance
utilisée. On peut donc définir la puissance (P)
comme le rapport du travail effectué (W) sur le
temps (t).
W travail en Joules t temps en seconde
Une machine capable deffectuer un travail de 1
Joule en 1 seconde a une puissance de 1 Watt.
James Watt ( 1736 1819 )
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Unités fondamentales
Toutes les grandeurs physiques rencontrées dans
la nature peuvent se définir en fonction de 7
grandeurs de base.








grandeur symbole
unité symbole Longueur
L mètre
m Masse
m kilogramme
kg Intensité lumineuse J
candela cd Intensité
électrique I
ampère A Température
T Kelvin
K Quantité de matière la mole
mole
mol Temps
t seconde
s
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Unités fondamentales
Aux 7 grandeurs de base viennent sajouter 2
grandeurs dites supplémentaires .



grandeur symbole
unité symbole
Angle plan
radian rad Angle solide
stéradian
sr
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Unités fondamentales
Le kilogramme Le kilogramme (kg) est l'unité de
masse, il est égal à la masse du prototype
international du kilogramme.
La seconde La seconde (s) est la durée de
9 192 631 770 périodes de la radiation
correspondant à la transition entre les deux
niveaux hyperfins de l'état fondamental de
l'atome de césium 133.
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Unités fondamentales
Le kelvin Le kelvin (K), unité de température
thermodynamique, est la fraction 1/273,16 de la
température thermodynamique du point triple de
l'eau. Le point triple de l'eau et le zéro
absolu définissent l'échelle thermométrique
thermodynamique.
29
Unités fondamentales
La candela La candela (cd) est l'intensité
lumineuse, dans une direction donnée, d'une
source qui émet un rayonnement monochromatique de
fréquence 5401012 hertz et dont l'intensité
énergétique dans cette direction est 1/683 watt
par stéradian.
30
Statique
Force
Somme de forces
Moment de force
Couple
Équilibre
Notion de pression
Pression exercée par un solide
31
Force
On appelle force toute cause capable - de
modifier le mouvement dun corps, - de
déformer un corps. Elle est caractérisée par
, un sens
, un point dapplication
, une intensité.
Une direction
3 N
x
On peut donc représenter une force par un vecteur
dont lorigine est le point dapplication, la
longueur lintensité par rapport à une échelle
choisie et la flèche la direction et le sens.
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Somme de forces
Effectuer une somme de force permet de définir la
force résultante dun système de forces. Cette
force résultante est équivalente à laction
exercée simultanément par lensemble des
forces. Si la force résultante est nulle, le
système est en équilibre. On peut définir la
force résultante graphiquement
en traçant le polygone de Varignon,
par le calcul en effectuant la somme vectorielle
des forces.
33
Somme de forces
Polygone de Varignon Le point est soumis à
plusieurs forces.
On place les forces  bout à bout 
La force résultante est le vecteur allant du
point dorigine à la pointe de la dernière flèche.
À noter que lordre dans lequel on place les
forces  bout à bout  na pas dimportance.
34
Somme de forces
Somme vectorielle Les vecteurs forces sont
repérés sur un repère orthonormé.
F1 3 , 2 F2 4 , - 4 F3 - 3
, - 4 F4 - 1 , 4
Les coordonnées de la force résultante sont la
somme algébrique des coordonnées de toutes les
forces. Soit FR (
3 4 3 1 ) et ( 2 4 4 4 )
FR 3 , - 2
35
Somme de forces
Somme vectorielle Les vecteurs forces sont
repérés sur un repère orthonormé.
F1 3 , 2 F2 4 , - 4 F3 - 3
, - 4 F4 - 1 , 4
A noter que la détermination par le polygone de
Varignon donnerait, bien sur, le même résultat.
36
Somme de forces
Exercice Déterminez les coordonnées de la force
résultante à ce système de six forces.
Tracez la force résultante, puis contrôlez en
traçant le polygone de Varignon.
37
Somme de forces
Corrigé de lexercice Fr ( 5 4 2 1 2
5) ( 4 3 2 2 3 3) 3 , 1
Le tracé du polygone de Varignon permet de
contrôler le calcul.
38
Moment de force
Le moment est dit positif si la rotation
engendrée est anti-horaire (sens
trigonométrique). Le moment est dit négatif si la
rotation engendrée est horaire.
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Leviers
Un levier est un solide très léger dont la forme
est assimilable à une barre. Il est soumis à
trois forces la réaction du point
dappui R, la force à vaincre ou
résistance Fr, la force motrice F.
Selon la position relative de ces trois
forces, on distinguera trois sortes de leviers
levier inter-appui, levier
inter-résistant, levier
inter-moteur.
40
Leviers
Levier inter-appui
Fr . OA F . OB doù F Fr . ( OA / OB ) et R
Fr F
On voit que plus la distance OB est grande par
rapport à OA, plus leffort F sera petit pour
vaincre une même force Fr. Applications barre à
mine, pied de biche, tenailles, cisailles à main,
diable, chariot à bouteilles (1er
temps). Attention, cest au point dappui que la
force exercée est la plus grande !
41
Leviers
Levier inter-résistant
Fr . OA F . OB doù F Fr . ( OA / OB ) et R
Fr - F
On voit que plus la distance OB est grande par
rapport à OA, plus leffort F sera petit pour
vaincre une même force Fr. Applications
brouette, cisaille à levier, casse noix, diable,
chariot à bouteilles (2ème temps).
42
Leviers
Levier inter-moteur
Fr . OA F . OB doù F Fr . ( OA / OB ) et R
F - Fr
On voit que plus la distance OB est petite par
rapport à OA, plus leffort F devra être grand
pour vaincre une même force Fr. Applications
étaux à chaud, brucelles, pince à épiler
43
Couple de forces
Un couple est un ensemble (c) de deux forces,
parallèles, de sens contraires et de même
intensité. Le moment dun couple est égal au
produit de la distance des droites daction des
deux forces par lintensité de celles-ci. Il
sexprime en mètre newton (mN).
Applications tourne à gauche
44
Équilibre
Un système est en équilibre si
- la somme des forces est nulle (force
résultante 0), - la somme algébrique
des moments des forces est nulle.
La barre ne tourne pas, on a donc en A une force
dont le moment soppose à celui de la force
exercée en C.
30 N
Lensemble ne chute pas, on a donc en B une force
opposée à la résultante des deux autres forces.
On peut constater que, quel que soit le point de
rotation choisi (A B C ou un autre), la somme des
moments est nulle.
20 N
45
Notion de pression
La pression résulte de laction exercée par une
force ou un poids sur une surface. La pression
(P) est le rapport de la force (F) sur une
surface pressée (A).
Lunité de force est le newton, lunité de
surface le m². Lunité de pression est le N/m²
que lon appelle, en France, le Pascal (Pa).
Blaise PASCAL ( 1623 1662 )
46
Notion de pression
Le pascal est lunité fondamentale de
pression qui est souvent à utiliser pour les
calculs de physique. Mais, cette unité est très
petite et convient peu aux valeurs de pressions
rencontrées dans notre métier. Cest pourquoi,
dans la pratique, on utilisera des multiples du
pascal, soit le bar ou le millibar.
1 bar 10 5 Pa 100 000 Pa. 1 mbar 100 Pa
1 hPa
47
Pression exercée par un solide
48
Pression exercée par un solide
Un solide peut transmettre intégralement à un
autre corps la force pressante qui sexerce sur
lui. Mais la pression quil transmet est en
générale différente de la pression quil
subit. Pour accentuer leffet dune force
pressante, on réduit la surface pressée. La
pression exercée est augmentée. (punaise, pointe,
fil dune lame) Pour diminuer leffet dune
force pressante, on augmente la surface pressée.
La pression exercée est diminuée. (raquettes,
planches de roulement)
49
Hydrostatique
Vases communicants
Pression dans un liquide
Pression atmosphérique
Unités de pression
Pression relative, pression absolue
Pompe de Pascal
50
Vases communicants
Un volume donné de liquide ne change pas mais il
prend la forme du récipient dans lequel il est
contenu.
La surface libre est horizontale, cest le cas
des récipients au sens commun du mot (vase,
verre, bouteille) mais cest aussi le cas des
récipients plus complexes comme les installations
de chauffage, les distributions publiques deau,
etc
51
Vases communicants
Si lon remplit un récipient complexe constitué
de tubes de formes et de dimensions différentes,
on saperçoit que la surface libre du liquide
sétablit toujours selon lhorizontale et ceci
que lon remplisse par nimporte quel tube et que
le collecteur soit horizontal ou incliné.
52
Vases communicants
Si lon obture un des tubes avec un bouchon, et
que lon remplit le récipient,
on saperçoit que le niveau de liquide dans le
tube bouché est en dessous de la surface libre
des autres tubes. Dans le tube bouché, lair est
comprimé.
53
Vases communicants
Si lon ôte le bouchon,
54
Vases communicants
Si lon ôte le bouchon,
on saperçoit que lair est chassé et que le
liquide dans le tube remonte au même niveau que
la surface libre des autres tubes.
55
Vases communicants
Linstallation de chauffage ci-dessous, dont
chaque partie est en communication avec les
autres, comporte deux erreurs
56
Pression dans un liquide
Tous les points se trouvant sur le niveau a sont
à la pression Pa.
Tous les points se trouvant sur le niveau b sont
à la pression Pb.
Lécart entre les pressions est proportionnel à
la différence de niveaux.
57
Pression dans un liquide
Lécart entre les pressions est proportionnel à
la différence de niveaux h et au poids volumique
du liquide ?.
58
Pression dans un liquide
Exercice calculer la pression Pb.
59
Pression dans un liquide
60
Pression atmosphérique
Si lon plonge totalement une éprouvette dans un
bain de mercure et quon la fait pivoter,
on saperçoit que le niveau de mercure ne peut
dépasser une certaine altitude dans léprouvette.
61
Pression atmosphérique
Le haut de léprouvette est vide de matière et de
pression.
Cest la pression atmosphérique qui  pousse  le
mercure dans léprouvette.
La pression atmosphérique dépend du poids de la
colonne dair.
62
Pression atmosphérique
En moyenne, la hauteur de mercure est de 760
mm, la masse volumique du mercure est de 13 600
kg/m3
760 mm
la pression atmosphérique est donc égale à P
r . g . h 13 600 kg/m3 . 9,81 N/kg . 0,76 m
101 325 Pa 1013 hPa 1013 mbar
63
Pression atmosphérique
Cette pression correspond à la pression
atmosphérique  normale 
et est la définition de lunité  atmosphère  (
1 Atm 1 013 mbar ).
1 Atm
En météorologie, si la pression atmosphérique est
supérieure on est en anticyclone
Si la pression atmosphérique est inférieure on
est en dépression
64
Pression atmosphérique
Cest E. Torricelli, physicien italien, qui a mis
en évidence la pression atmosphérique et inventé
le baromètre à mercure.
Evangelista Torricelli ( 1608 1647 )
En son honneur, on a créé le torr qui correspond
au millimètre de mercure. 1 Atm 1 013 mbar
760 mmHg 760 torr
65
Pression atmosphérique
REMARQUES La pression atmosphérique donnée par la
météo est la pression au niveau de la mer. Pour
repérer les conditions climatiques sur un
baromètre à mercure il sera donc nécessaire de
faire une correction en fonction de laltitude au
moyen dune petite échelle réglable. Les
baromètres à mercure sont maintenant remplacés
par des baromètres à aiguille qui mesure la
dilatation dune capsule métallique dans laquelle
on a fait le vide. Cest le même principe qui est
utilisé pour les altimètres.
66
Unités de pression
Conversion des unités de pression
Valeurs intéressantes à retenir
67
Unités de pression
Conversion des unités de pression en Pa
101 325
100 000
98 100

136
100
9,81
68
Pression relative, pression absolue
La pression est dite relative ou effective
lorsquelle est mesurée par rapport à une
pression de référence (généralement la pression
atmosphérique). On mesure cette pression relative
avec un manomètre pour les valeurs supérieures
à la pression atmosphérique, un vacuomètre ou un
déprimomètre pour les valeurs inférieures à la
pression atmosphérique. Ces appareils indiquent
zéro lorsquils sont soumis à la pression
atmosphérique standard.
69
Pression relative, pression absolue
La pression est dite absolue lorsquelle est
mesurée par rapport au vide. On pourrait mesurer
cette pression absolue avec un baromètre, mais il
est plus simple de la calculer en utilisant la
formule suivante.
Prelative pression lue au manomètre Patmosphériq
ue pression lue au baromètre Les deux pressions
doivent bien sûr être exprimées avec la même
unité !
70
Pression relative, pression absolue
71
Pression relative, pression absolue
Exemple 1 Pression deau lue au manomètre
1,5 bar Pression atmosphérique lue au
baromètre 750 mmHg Conversion de la
Patmosphérique 1,013 . 750 / 760 1 bar
Pabsolue 1,5 bar 1 bar 2,5 bar Exemple 2
Pression de gaz lue au manomètre 21 mbar
Pression atmosphérique lue au baromètre 1011
mbar Pabsolue 21 mbar 1011 mbar 1032
mbar
72
Pompe de Pascal 1/5
Un liquide étant pas ou très peu compressible, il
transmettra intégralement les pressions dans
toutes les directions.
B
A
Si lon exerce une pression P1 sur le piston A
cette pression sera intégralement transmise par
le liquide,
et une pression P2, égale à P1 sexercera sur le
piston B.
73
Pompe de Pascal 2/5
F2
F2
B
P2

S2
A
F1
F1
P1

S1
La pression P1 est le rapport de la force F1 sur
la surface S1
La pression P2 est le rapport de la force F2 sur
la surface S2
74
Pompe de Pascal 3/5
F2
P2
P1

B
S2

A
F1

S1
Comme P1 et P2 sont égales
Les forces exercées sont proportionnelles aux
surfaces sur lesquelles elles sappliquent.
75
Pompe de Pascal 4/5
F2
P2
P1

B
S2

A
F1

S1
Il suffit donc dexercer une petite force F1 sur
une petite surface S1 pour exercer une grande
force F2 sur une grande surface S2 ! Et plus S1
sera petite par rapport à S2, moins il faudra
exercer de force F1 pour créer une grande force
F2 !!
76
Pompe de Pascal 5/5
Une application de la pompe de Pascal la
cintreuse hydraulique
En appliquant une force F1 au bout du levier,
on exerce une force F2 sur le piston de petite
surface,
cette force F2 engendre une pression P dans tout
le liquide
cette pression exerce une force F3 sur le piston
de grande surface,
77
Cinématique
Vitesse linéaire
Vitesse de rotation ou vitesse angulaire
Vitesse de rotation industrielle
Accélération
Accélération de la pesanteur
Écoulement dun orifice
78
Vitesse linéaire
La vitesse linéaire est la distance parcourue
pendant un certain temps par un corps en
déplacement.
Lunité de longueur (d) est le mètre, Lunité de
temps (t) est la seconde. Lunité de vitesse
linéaire (v) est le m/s.
79
Vitesse de rotation ou vitesse angulaire
La vitesse de rotation est langle parcouru
pendant un temps dune seconde par un corps en
rotation.
Lunité dun angle (a) est le radian. Lunité de
temps (t) est la seconde. Lunité de vitesse de
rotation (?) est le rad/s.
80
Vitesse de rotation industrielle
La vitesse de rotation industrielle est le nombre
de tours parcouru pendant un temps dune minute
par un corps en rotation.
Lunité de temps (t) est la minute. Lunité de
vitesse de rotation (n) est le tr/mn.
81
Accélération
Laccélération est caractérisée par une
augmentation de vitesse.
lunité de temps (t) est la seconde. Lunité de
vitesse (v)est le m/s. Lunité daccélération (a)
est le m/s2
82
Accélération de la pesanteur
Laccélération de la pesanteur est aussi appelée
attraction terrestre.
Elle dépend de la distance au noyau donc de la
latitude et de laltitude.
Lunité de laccélération de la pesanteur (g), ou
de lattraction terrestre (g) peut être donnée en
m/s2 ou en N/kg , cest la même chose.
Quelques valeurs remarquables de laccélération
de la pesanteur
9,81 m/s2 A Paris
9,83 m/s2 Au pôles
9,78 m/s2 A léquateur
83
Écoulement dun orifice 1/2
La vitesse découlement dun orifice est donnée
par la formule suivante
v vitesse déjection en m/s DP différence
de pression en Pa r masse volumique du
fluide en kg/m3
84
Écoulement dun orifice 2/2
Exemple Calculer la quantité dun gaz de masse
volumique 0,5 kg/m3 sécoulant en une heure par
un orifice au bord parfaitement arrondi de 1 mm²
de section, pour une surpression de 10 mbar soit
1000 Pa.
63,25 m/s
Vitesse découlement





S . v . 3600
1 . 10-6 . 63,25 . 3600
0,227 m3/h
Quantité de gaz
85
Thermique
Notion de température
Histoire des thermomètres
Les inventeurs
Conversion dunités de température
Notion de chaleur
Transmission de chaleur
Unité de chaleur
Quantité de chaleur
86
Notion de température 1/2
La notion de  température  est issue de la
sensation de froid ou de chaud que lon éprouve
en touchant les corps qui nous entourent. Ainsi,
cette appréciation se fait par rapport à la
température de notre corps. Nous disposons de
tout un vocabulaire progressif auquel on peut
accoler une  échelle de température .
Glace  glacial  Basses températures
Eau de source  frais  Basses températures
Air en été  doux  Température douce
Café chaud  tiède  Hautes températures
Eau bouillante  brûlant  Hautes températures
Feu  cuisant  Hautes températures
Ces notions bien que suffisantes pour la vie
courante sont vagues et imprécises et sont
incompatibles avec les nécessités techniques.
87
Notion de température 2/2
Les physiciens ont donc dû créer des échelles de
température. Ces échelles sont le plus souvent
définies à partir de températures de référence
caractéristiques. Celles-ci peuvent être, dans
lordre croissant - le  zéro absolu  appelé
également  repos de la matière , - la
température hivernale dun lieu, - la
température de fusion de la glace, - la
température du corps humain, - la température
estivale dun lieu, - la température
débullition de leau.
88
Histoire des thermomètres 1/2
Le premier thermomètre véritable a été inventé à
Florence en 1654 par le grand duc de Toscane.
L'appareil, à alcool, portait 50 graduations. En
hiver, il descendait jusqu'à 7 degrés et montait,
en été, jusqu' à 40 degrés. dans la glace
fondante, il marquait 13,5.     Puis en 1702,
l' astronome danois Ole Roemer (1644-1710)
fabrique un thermomètre à alcool marquant l'eau
bouillante à 60 et la glace pilée à 7,5. En
1717, le savant allemand Fahrenheit (1686-1736)
remplace l'alcool par du mercure. Il fixa à
32 la température de la glace fondante et à 96
la température normale du sang. Il donne au
thermomètre sa forme définitive. En 1730,
Réaumur, physicien et naturaliste français
(1683-1757), construisit le thermomètre à alcool
pour lequel il utilisait l'échelle 0 - 80.
Celsius, physicien suédois (1701-1744)
construisit en 1742 un thermomètre à mercure qui
marquait 100 au point de congélation de l'eau et
0 au point d'ébullition de l'eau... Mais en
1745, Linné (1707-1778) inversa l'échelle des
températures et présenta à l'Académie suédoise un
thermomètre à mercure qui marquait 0 pour la
glace fondante et 100 pour l'eau bouillante.
89
Histoire des thermomètres 2/2
En 1794, la Convention a décidé que le "degré
thermométrique serait la centième partie de la
distance entre le terme de la glace et celui de
l'eau bouillante". En octobre 1948, le nom de
degré Celsius a été choisi par la IXème
Conférence Internationale des Poids et Mesures.
Choisir une échelle de 0 à 100, fut très
difficile car le choix d'une telle échelle
impliquait l'utilisation de nombres négatifs. Au
XVIIIème siècle on ne maîtrisait pas les nombres
négatifs. Nous avons donc plusieurs échelles de
mesure des températures l'échelle Celsius
nommée centigrade jusqu'en 1948 adoptée par la
plupart des nations, l'échelle Fahrenheit adoptée
par la grande-Bretagne, et l'échelle Réaumur à
peu près abandonnée. Nous avons également
l'échelle absolue, utilisée par les scientifiques
dont l'unité est le Kelvin ou K (lord Kelvin,
1824-1907) glace fondante 273,15C, ébullition
373,15C. Un  degré  K correspond à un degré
Celsius, mais le zéro absolu est -273 Celsius,
limite approchée de très près aujourd'hui.
90
Les inventeurs
Réaumur ( 1683 1757 )
91
Les inventeurs
Daniel Gabriel Fahrenheit ( 1686 1736 )
92
Les inventeurs
Anders Celsius ( 1701 1744 )
93
Les inventeurs
sir William Thomson Kelvin ( 1824 1907 )
Né à Belfast (Irlande), William Thomson - plus
tard connu sous le nom de lord Kelvin - plonge
très tôt dans le monde des mathématiques. Son
père, qui enseigne cette matière à l'université
de Glasgow, l'initie en effet aux œuvres
classiques mais aussi les plus récentes. Et à
l'âge de 10 ans, William rejoint les bancs de
l'établissement de son père. Là, En 1841, Thomson
entre à l'université de Cambridge. Il y obtient
son diplôme quatre ans plus tard avec les
honneurs. Après avoir acquis, à Paris, un
savoir-faire expérimental en complément des
connaissances théoriques, Thomson obtient la
chaire de "philosophie naturelle" (aujourd'hui
physique) de l'université de Glasgow il n'a
alors que 22 ans. Désormais, toute sa carrière se
déroulera dans cette ville, jusqu'en 1899, date à
laquelle il démissionne pour "laisser la place
aux jeunes". Et quelle carrière ! Membre de
nombreuses sociétés savantes, Thomson est nommé
président de la Royal Society de 1890 à 1895. En
1866, la reine Victoria le fait chevalier pour
son travail sur le câble transatlantique et en
1892, élevé à la pairie, devient le baron Kelvin
of Largs. Décoré de l'ordre du Mérite en 1902, le
désormais lord Kelvin sera inhumé à l'abbaye de
Westminster, à Londres. L'œuvre de Thomson,
particulièrement diversifiée (on lui doit des
contributions majeures en électricité et
thermodynamique, mais aussi mécanique,
hydrodynamique, magnétisme, géophysique) a
profondément marqué la physique du XIXe siècle.
Dans le domaine de la thermodynamique, le savant
anglais publie une théorie générale de la
thermodynamique en 1851 dans laquelle il reprend
l'ensemble des connaissances de son époque. En
1848, son intérêt pour la question des unités et
échelles thermométriques l'amène à inventer
l'échelle des températures absolue qui porte son
nom
94
Conversion dunités de température 1/3
Pour transformer une température relative q en C
en température absolue T en K T q
273 Exemple q 20 C T 20 C 273
293 K ________________________________________ Po
ur transformer une température relative q1 en C
en température relative q2 en F q2 ( 1,8
. q1 ) 32 Exemple q1 100 C q2 (
1,8 . 100 C ) 32 212 F
95
Conversion dunités de température 2/3
F
























212 F
F ( 1,8 . C ) 32
C ( F - 32 ) / 1,8
100 F
32 F
C
100 C
0 C
37,7 C
-17,7 C
96
Conversion dunités de température 3/3
C
F
K
100 C
212 F
373 K
100 F
37,7 C
311 K
0 C
32 F
273 K
-17,7 C
255 K
0 F
0 K
-273 C
-460 F
97
Notion de chaleur
On distingue deux types de chaleur La chaleur
sensible Qs qui correspond à lénergie nécessaire
à élever la température dun corps sans
changement détat, La chaleur latente Ql qui
correspond à lénergie nécessaire à changer
létat dun corps à température constante. La
chaleur se transmet du corps le plus chaud vers
le corps le moins chaud. Le premier cède et le
second reçoit la même quantité de chaleur. Tous
les corps dont la température est supérieure au
zéro absolu (-273,15 C), peuvent transmettre de
la chaleur à un corps de température inférieure.
En thermique, on considère donc que tout est
plus ou moins chaud. Le  froid  nexiste pas.
98
Transmission de chaleur
On distingue trois types de transmission de la
chaleur La conduction qui nécessite un contact
entre les corps donneur et récepteur de
chaleur. Plaque chauffante, thermoplongeur,
échangeur à plaque, échangeur tubulaire,
bain-Marie La convection où la chaleur est
véhiculée par de lair. Convecteur,
ventilo-convecteur, aérotherme, radiateur Le
rayonnement où la chaleur est transmise sans
contact ni médium entre lémetteur et le
récepteur de chaleur. Soleil, panneau rayonnant,
radiateur, plafond chauffant, cheminée de salon,
foyer dune chaudière
99
Unité de chaleur 1/2
La plus ancienne unité de chaleur était la
calorie. On distinguait la  petite calorie 
(cal) de la  grande calorie  (Cal). La petite
calorie représentait la quantité de chaleur
sensible nécessaire pour élever 1 gramme deau
pure de 1 K. La grande calorie représentait la
quantité de chaleur sensible nécessaire pour
élever 1 kilogramme deau pure de 1 K. Hormis en
diététique, la notion de grande calorie a disparu
et celle-ci a été remplacée par la kilocalorie
(kcal) qui représente également la quantité de
chaleur sensible nécessaire pour élever 1
kilogramme deau pure de 1 K. On parlait
également de thermie (th) qui représentait la
quantité de chaleur sensible nécessaire pour
élever 1 tonne deau pure de 1 K. On parlait
également de millithermie (mth) qui représentait
la quantité de chaleur nécessaire pour élever 1
millième de tonne deau pure de 1 K. Et était
donc équivalente à la kilocalorie ou à la
 frigorie  des frigoristes.
100
Unité de chaleur 2/2
Lunité actuelle de chaleur (et dénergie en
général) est le Joule (J).
1 cal 4,185 J
donc 1 J 0,24 cal
Le joule correspond à la chaleur sensible
nécessaire pour élever 0,24 gramme deau pure de
1 kelvin ! Cest donc une unité très petite et
peu pratique pour nos calculs qui ne prendront
jamais en compte des masses aussi faibles. Aussi
nous utiliserons comme unité le kilojoule (kJ), 1
kcal 4,185 kJ ou 1 kJ 0,24
kcal ou le watt-heure (Wh) 1 kcal 1,163 Wh
ou 1 Wh 0,86 kcal ou le
kilowatt-heure (kWh) 1 th 1,163 kWh ou
1 kWh 0,86 th
101
Quantité de chaleur 1/2
La quantité de chaleur sensible nécessaire pour
élever la température dun corps dépend -
de la masse de corps à  chauffer , - de la
nature du corps à  chauffer , - de
lélévation de température désirée.
Qs quantité de chaleur sensible en kilojoules
(kJ) m masse du corps en kilogramme (kg) Cm
chaleur massique du corps en kJ/kg.K Dq
élévation de température en kelvins (K) Les
écarts de températures sexpriment en kelvins.
102
Quantité de chaleur 2/2
La quantité de chaleur latente nécessaire pour
changer létat dun corps à température constante
dépend - de la masse de corps, - de
la nature du corps.
Ql quantité de chaleur sensible en kilojoules
(kJ) m masse du corps en kilogramme (kg) Cl
chaleur latente du corps en kJ/kg on distinguera
la chaleur de fusion Clf et la chaleur de
vaporisation Clv
103
Physique appliquée au génie climatique
Dilatation des corps
Solubilité des gaz dans leau
Solubilité des gaz et chauffage central
Changement détat
Vaporisation de leau
Notion denthalpie
104
Dilatation des corps
Dilatation linéaire des solides
Si lon prend une tige en métal de longueur Lo,
et quon la chauffe,
la tige sallonge de DL,
L
L Lo DL
L0
DL
On constate que cet allongement est proportionnel
à la longueur initiale et à lélévation de
température.
L Lo ( Lo . k . Dq )
L Lo . ( 1 k . Dq )
k est le coefficient linéaire de dilatation.
105
Dilatation des corps
Dilatation linéaire des solides
Valeurs de  k 
fer 11,5 10 -6
cuivre 16,5 10 -6
plomb 28 10 -6
zinc 29 10 -6
106
Dilatation des corps
Dilatation linéaire des solides
Exercice dapplication Le coefficient k du fer
est de 11,5 . 10-6. Un tube de chauffage de 10 m
de longueur a été monté en plein hiver alors
quil était à la température de 0 C. Quelle sera
sa longueur, lorsquen fonctionnement sa
température montera à 90 C ? L Lo .
( 1 k . Dq ) L90 10 m . 1
11,5 . 10-6 . ( 90 C 0 C ) 10,010 m Soit
un allongement denviron 1 cm / 10 m Ceci est
une donnée capitale pour le montage des
canalisations qui seront soumises à de fortes
variations de température.
107
Dilatation des corps
Dilatation cubique des solides et des liquides
Ce qui a été constaté sur lallongement de la
tige de métal se produit en fait dans toutes les
directions. Ainsi un cube de côté Lo,
que lon la chauffe,
verra chacune de ses arrêtes augmenter de DL,
L
L Lo DL
L0
DL
Le cube aura son volume augmenté de
DV Lo . ( 1 k . Dq ) 3 Lo3
Le volume obtenu sera égal à
V Vo . ( 1 K . Dq )
K est le coefficient cubique de dilatation.
108
Dilatation des corps
Dilatation cubique des solides et des liquides
Valeurs de  K 
fer 34,5 10 -6 eau ( 0,52 10 3 )
cuivre 49,5 10 -6 alcool 1,10 10 -3
plomb 84 10 -6 mercure 0,18 10 -3
zinc 87 10 -6
La dilatation de leau nest pas exactement
proportionnelle à lélévation de température et
son volume minimum nest pas à 0 C mais à 4 C.
On peut noter que la dilatation cubique des
liquides est de 10 à 100 fois plus forte que
celle des solides. Et que, pour les solides, K
3 . k
109
Solubilité des gaz dans leau
Les gaz peuvent se dissoudre partiellement dans
leau et ce dautant plus - que la
pression de contact gaz-eau est forte, - que
la température gaz-eau est voisine de 10
C. Quelques valeurs de quantités dissoutes
Air dissous par kg deau à la pression atmosphérique Air dissous par kg deau à la pression atmosphérique
10 C 0,2268 litre
20 C 0,0187 litre
30 C 0,0161 litre
Azote dissous par kg deau à 25 bar Azote dissous par kg deau à 25 bar
25 C 0,35 litre
50 C 0,27 litre
75 C 0,25 litre
100 C 0,25 litre
110
Solubilité des gaz et chauffage central
Lair étant extrêmement léger par rapport à
leau, lorsque lon remplit une installation
lair ne pourra être chassé que par le haut. Il
faudra donc - aménager son acheminement
(pentes de tuyauteries), - assurer sa sortie
(purgeurs dair).
R
R
R
Ch
111
Solubilité des gaz et chauffage central
Cinq causes peuvent expliquer la
présence de gaz dans les réseaux. 1 - Le
remplissage des installations. Avant d'être
rempli un réseau est plein d'air cet air doit
être éliminé au fur et à mesure du remplissage.
En particulier si le remplissage est trop
rapide cet air va pouvoir se dissoudre dans l'eau
de remplissage du fait de l'augmentation de
pression si l'on fait seulement confiance aux
purgeurs automatiques la pression d'air peut
monter facilement jusqu'à la pression du réseau
urbain ou tout au moins jusqu'à la pression après
détendeur (disons 3 à 4 bar relatifs). Ceci
conduira à multiplier potentiellement par 4 ou 5
la quantité de gaz dissous dans l'eau. Ainsi
a-t'on près de 0,02 L d'air dissous par litre
d'eau à 15ºC à saturation sous 1 bar. On peut
donc avoir potentiellement près de 5x0,020,1 L
de gaz dissous par litre d'eau
112
Solubilité des gaz et chauffage central
2 - Les gaz dissous naturellement dans l'eau
d'alimentation et l'augmentation de la
température. Ainsi a-t'on pu voir que la
solubilité d'un gaz diminue avec la température.
La solubilité de l'air est divisée par près de 2
entre 10 ºC et 80 ºC par exemple.
3 - Les gaz dissous naturellement dans l'eau
d'alimentation et la diminution de la
pression. La solubilité d'un gaz est directement
proportionnelle à sa pression partielle dans la
phase gazeuse une pression divisée par deux
conduit à une solubilité divisée par deux. En
particulier le dégazage pourra se produire en
tête d'installation.
113
Solubilité des gaz et chauffage central
4 - Les entrées d'air parasites. Si la
pression statique dans l'installation est trop
faible on a un risque d'entrée d'air dans les
zones localement en dépression. Ce peut être le
cas en particulier, en entrée de pompe.
5 - Les réactions chimiques. La corrosion
acide de l'acier "noir" (à pH lt 9,5) conduit à la
formation d'hydrogène.
114
Solubilité des gaz et chauffage central
Les gaz peuvent se séparer et se concentrer dès
que la vitesse de l'eau chute arrêt de
circulation , augmentation de diamètre (pour un
débit constant arrivée dans une bouteille de
répartition ou dans un réservoir de stockage par
exemple). De par leur masse volumique plus
faible que celle de l'eau, les gaz vont pouvoir
s'accumuler aux points hauts. Il faudra donc
prévoir des points de purge automatique (en
sortie des préparateurs d'eau chaude, des
préparateurs et réservoirs d'ECS, des chaudières,
et en tout point haut des installations en
particulier en tête des colonnes montantes)
doublés dans la mesure du possible de robinets de
purge manuelle.
115
Changement détat
Si lon apporte en continu de lénergie à un
corps initialement solide, celui-ci va -
monter en température jusquà son point de
fusion, - se mettre à fondre complètement à
température constante, - monter en température
sous forme liquide jusquà son point
débullition, - se vaporiser complètement à
température constante, - monter en température
sous forme vapeur. Cette évolution peut être
représentée par le graphique suivant
température
VAPEUR
q ébullition
LIQUIDE
q fusion
SOLIDE
temps
116
Changement détat
Lénergie fournie au corps lui a permis de
recevoir - de la chaleur sensible pour élever
la température à létat solide Qss,
- de la chaleur latente de fusion Qlf,
- de la chaleur sensible pour élever la
température à létat liquide Qsl,
- de la chaleur latente de vaporisation Qlv.
Qss
Qlf
Qsl
Qlv
117
Changement détat
Ces quantités de chaleur échangées sont égales à
Qss m . Cm(s) . Dq ( Cm(s)
chaleur massique solide ) Qlf m . Clf
( Clf chaleur latente de
fusion ) Qsl m . Cm(l) . Dq ( Cm(l)
chaleur massique liquide ) Qlv m . Clv
( Clv chaleur latente de
vaporisation )
118
Changement détat
Valeurs pour l  eau  Cm(s) 0,5
kcal/kg.K 2,04 kJ/kg.K 0,58
Wh/kg.K Clf 80 kcal/kg
335 kJ/kg 93 Wh/kg Cm(l)
1 kcal/kg.K 4,18 kJ/kg.K
1,163 Wh/kg.K Clv 540 kcal/kg
2 260 kJ/kg 628 Wh/kg
119
Changement détat
Caractéristiques thermiques de quelques corps
Corps q de fusion q de vaporisation Clf Wh/kg Cm Wh/kg.K Clv Wh/kg
Oxygène - 219 - 183 3,84 - 59,7
Mercure - 38,9 357 3,3 (l) 0,038 79.9
Ether - 120 34,5 - (l) 0,615 104,7
Eau 0 100 93 (s) 0,58 (l) 1,163 628
Plomb 327 1750 6,36 (s) 0,036 256
Fer 1535 2450 57,45 (s) 0.126 -
120
Vaporisation de leau
A la pression atmosphérique normale, leau bout à
100 C par définition. Il nen est plus de même
si la pression est différente - si la pression
est plus faible, elle bout à moins de 100 C, -
si la pression est plus forte, elle bout à plus
de 100 C. La loi générale de la pression de
vaporisation en fonction de la température est
donnée par la formule de Duperray
P Pression absolue en bars q température
relative dévaporation en C
121
Vaporisation de leau
Exemple 1 à quelle pression relative leau
bout-elle à 110 C ? P ( 110 / 100 )4 1,46
bar Soit une pression relative denviron 1,46
1 0,46 bar Exemple 2 à quelle température
bout-elle sous une pression relative de 1,5 bar
? q 100 . racine quatrième de ( 1,5 1 )
135 C
122
Vaporisation de leau
Tableau de relation température dévaporation
Pression absolue
q évaporation C Pression absolue bar Enthalpie eau Wh/kg Enthalpie vapeur Wh/kg Chaleur de vaporisation Wh/kg
80 0,4829 93 734,2 641,2
85 0,5894 98,8 736,4 637,6
90 0,7149 104,6 738,6 634
95 0,8619 110,5 740,8 630,3
100 1,0332 116,35 743 626.65
105 1,2318 122,2 745,1 622,9
110 1,4609 128,1 747,2 619,1
115 1,7239 134 749,3 615,3
120 2,0245 140 751,3 611.3
125 2,3666 145,7 753,3 607,6
130 2,7544 151,7 755,1 603,4
123
Vaporisation de leau
Tableau de relation Pression absolue température
dévaporation
Pression absolue bar q évaporation C Pression absolue bar q évaporation C Pression absolue bar q évaporation C
0,5 80,86 1,6 112,73 11 183,2
0,6 85,45 1,8 116,33 12 187,08
0,7 89,45 2 119,62 13 190,71
0,8 92,99 3 132,88 14 194,13
0,9 96,18 4 142,92 15 197,36
1 99,09 5 151,11 16 200,43
1,1 101,76 6 158,08 17 200,35
1,2 104,25 7 164,17 18 206,14
1,3 106,56 8 169,61 19 208,91
1,4 108,74 9 174,53 20 211,38
1,5 110,79 10 179,04 22 216,23
124
Vaporisation de leau
Le changement détat eau-vapeur est fonction de
la relation pression-température. Il existe
pourtant une limite au delà de laquelle  leau 
est toujours à létat vapeur cest ce quon
appelle le  point critique . Ce point est
définit par La température critique 374,2
C La pression critique 225,4 bar La fusion
de leau se fait toujours à 0 C Il existe des
conditions où lon peut trouver  leau  dans
les trois états. Cest ce quon appelle le
 point triple  Ce point est définit par
Température 0 C Pression 6,22 mbar
125
Vaporisation de leau
Point critique
Pression critique
EAU
VAPEUR
GLACE
ETATS PHYSIQUES DE LEAU
Point triple
Température critique
126
Notion denthalpie
Lenthalpie massique dun corps (i) correspond à
la quantité totale de chaleur quun kilogramme de
corps possède par rapport à lorigine de son état
liquide.
i1
i2
i3
Exemple 1 un corps est à létat liquide, son
enthalpie massique est i1
Exemple 2 un corps est à létat solide, son
enthalpie massique est i2
Exemple 3 un corps est en phase dévaporation,
son enthalpie massique est i3
127
Notion denthalpie
Lenthalpie massique dun corps (i) peut être
portée sur léchelle du temps de notre graphique
et être positive ou négative par rapport à
lorigine liquide.

0
enthalpie
128
Notion denthalpie
A quoi sert de connaître lenthalpie dun corps
? A calculer la quantité de chaleur à
apporter ou à retirer au corps.
B
A
Di
enthalpie
Quantité de chaleur nécessaire à passer un corps
de masse m de létat A à létat B
Q m . Di
129
Notion denthalpie
A quoi sert de connaître lenthalpie dun corps ?
A calculer lenthalpie et donc létat et la
température dun mélange
D
M
qM
C
mD
mC
enthalpie
Enthalpie massique iM du mélange constitué dune
masse mC du corps à létat C et dune masse mD du
corps à létat D