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Sujet de Grand Oral en Physique Chimi sur les transferts de chaleur
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Comment les transferts de chaleur entre le corps humain et l’environnement peuvent-ils êtreutilisé pour améliorer la performance énergétique des bâtiments ?
A SAVOIR ! La problématique implique aussi de connaître les principes de la thermodynamique,
qui permettent d’étudier les conversions et les transferts d’énergie entre un système et son
environnement. Il faut notamment savoir définir un système thermodynamique, sa température,
son énergie interne, sa capacité thermique, sa chaleur et son travail. Il faut aussi savoir appliquer
le premier principe de la thermodynamique, qui exprime la conservation de l’énergie pour un
système fermé
Introduction :
- Présenter le sujet et la problématique,
- Expliquer les enjeux de la performance énergétique des bâtiments : réduire la
consommation d’énergie, limiter les émissions de gaz à effet de serre, améliorer
le confort thermique des occupants, etc.
- le rôle des transferts de chaleur entre le corps humain et l’environnement : deux
parties, une sur les mécanismes de transferts de chaleur, l’autre sur les solutions
innovantes.+
Partie 1 : décrire les différents mécanismes de transferts de chaleur entre le corps
humain et l’environnement (rayonnement, convection, conduction, évaporation) et les
facteurs qui les influencent (température, humidité, vêtements, ventilation, etc.).
- Décrire les quatre mécanismes de transferts de chaleur entre le corps humain et
l’environnement : rayonnement, convection, conduction, évaporation. Donner les
formules permettant de calculer le flux thermique pour chaque mécanisme
- Expliquer les facteurs qui influencent les transferts de chaleur entre le corps
humain et l’environnement : température, humidité, vêtements, ventilation, etc.
Donner des exemples concrets de situations où ces facteurs jouent un rôle
important (par exemple, la transpiration en cas de forte chaleur).
-
Partie 2 : expliquer comment les transferts de chaleur entre le corps humain et
l’environnement peuvent être utilisés pour améliorer la performance énergétique des
bâtiments, en donnant des exemples concrets de solutions innovantes (par exemple, le
chauffage par le corps humain3, la climatisation passive, l’isolation thermique, etc.).
- Présenter le principe du chauffage par le corps humain : utiliser la chaleur
sensible et latente produite par les occupants d’un bâtiment pour réchauffer l’air
ou l’eau circulant dans des tuyaux34. Donner des exemples d’application (par
exemple, le siège social de la Banque Coopérative Rabobank aux Pays-Bas).
- Présenter le principe de la climatisation passive : utiliser l’évaporation de l’eau
pour rafraîchir l’air entrant dans un bâtiment. Donner des exemples d’application
(par exemple, le centre commercial Eastgate à Harare au Zimbabwe).
- Présenter le principe de l’isolation thermique : utiliser des matériaux isolants pour
limiter les pertes ou les gains de chaleur par conduction ou par rayonnement.
Donner des exemples d’application (par exemple, les maisons passives ou à
énergie positive).
Conclusion : synthétiser les principaux points abordés, répondre à la problématique et
ouvrir sur des perspectives d’approfondissement ou d’application du sujet.
- Répondre à la problématique : montrer comment les transferts de chaleur entre le
corps humain et l’environnement peuvent être utilisés pour réduire la
consommation d’énergie, limiter les émissions de gaz à effet de serre, améliorer
le confort thermique des occupants, etc.
- Ouvrir sur des perspectives d’approfondissement ou d’application du sujet : par
exemple, quels sont les défis techniques, économiques ou sociaux liés à la mise
, en œuvre de ces solutions ? Quels sont les impacts environnementaux ou
sanitaires de ces solutions ? Quelles sont les autres sources d’énergie
renouvelable ou alternative qui peuvent être utilisées dans les bâtiments ?
- Mais il existe aussi une méthode plus ancienne encore, qui consistait à utiliser la
chaleur dégagée par les animaux domestiques pour chauffer les bâtiments. En
effet, les bœufs ou les chevaux étaient souvent logés au sous-sol des maisons ou
des fermes, et leur chaleur corporelle se diffusait à travers le plancher vers les
pièces supérieures23. Cette méthode permettait de réduire la consommation de
bois ou de charbon, mais présentait aussi des inconvénients, comme les odeurs
ou les risques d’incendie. Aujourd’hui, cette méthode n’est plus utilisée, mais elle
montre que les transferts de chaleur entre le corps humain et l’environnement
peuvent être exploités de différentes manières pour améliorer la performance
énergétique des bâtiments.
TRACE ÉCRITE
La performance énergétique des bâtiments est un enjeu majeur pour réduire la consommation
d’énergie et les émissions de gaz à effet de serre. Pour optimiser la performance énergétique des
bâtiments, il faut tenir compte des besoins thermiques des occupants, qui dépendent de leur
activité, de leur habillement et de leur confort. Or, le corps humain échange de la chaleur avec son
environnement par différents mécanismes. Ces transferts de chaleur peuvent être utilisés pour
améliorer la performance énergétique des bâtiments : comment les transferts de chaleur entre le
corps humain et l’environnement peuvent-ils être utilisés pour améliorer la performance
énergétique des bâtiments ?
Les transferts de chaleur entre le corps humain et l’environnement sont aussi des
phénomènes thermodynamiques, qui impliquent des conversions et des transferts
d’énergie entre un système et son environnement. La thermodynamique est la science qui
étudie les relations entre la chaleur et les autres formes d’énergie. Pour appliquer les
principes de la thermodynamique, il faut définir un système thermodynamique, c’est-à-
dire une partie de l’univers que l’on isole pour l’étudier. Un système thermodynamique
peut être caractérisé par sa température, qui mesure son état d’agitation moléculaire, son
énergie interne, qui mesure son énergie totale (cinétique et potentielle) au niveau
microscopique, sa capacité thermique, qui mesure sa capacité à stocker ou à libérer de la
chaleur, sa chaleur, qui mesure l’énergie transférée sous forme de désordre lors d’une
variation de température, et son travail, qui mesure l’énergie transférée sous forme
d’ordre lors d’une variation de volume. Le premier principe de la thermodynamique
exprime la conservation de l’énergie pour un système fermé (qui n’échange pas de
matière avec l’extérieur) : la variation d’énergie interne du système est égale à la somme
du travail et de la chaleur échangés avec l’environnement.
Le rayonnement est le processus par lequel la chaleur est transmise par des ondes
électromagnétiques, sans contact avec le milieu. La convection est le processus par
lequel la chaleur est transmise par le déplacement d’un fluide (air ou eau) autour du
corps. La conduction est le processus par lequel la chaleur est transmise par contact
direct entre deux corps de températures différentes. L’évaporation est le processus
par lequel la chaleur est absorbée par le passage de l’eau liquide à l’état gazeux à la
surface de la peau.
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