DS Thermodynamique

1. Mugau micro-ondes (5 points)

On réchauffe l’eau d’un thé dans un four à micro-ondes. Le volume d’eau dans le mug est V = 250 mL. Lorsque les micro-ondes atteignent les molécules d’eau, celles-ci se mettent à osciller. La mise en mouvement des molécules d’eau produit la chaleur nécessaire pour réchauffer les aliments. Le four est réglé sur la position de puissance
P = 900 W. La température de l’eau passe ainsi de θ1 = 10°C à θ2 = 90°C. On suppose le four bien isolé.

1. Calculer la variation d’énergie interne de l’eau.
2. Au bout de combien de temps l’eau du thé est-elle prête ?

Donnée : capacité thermique massique de l’eau : 4180 J.kg-1 . K-1

1. Flux thermique (3 points)

Une fenêtre d’aire S = 1 m², de résistance thermique Rth = 3,3 x 10-3K.W-1 est installée dans le mur d’une maison. La température intérieure est θi = 20°C. La température extérieure est θe = 5°C

Calculer le flux thermique à travers la fenêtre et en déduire l’énergie perdue par jour à travers cette vitre.

1. Bilan radiatif de Vénus (12 points)

Vénus est la deuxième planète par ordre d’éloignement au Soleil. Elle est aussi grande que la Terre mais est entourée d’une atmosphère très épaisse.
Le flux thermique issu du Soleil reçu au niveau de l’atmosphère vénusienne par unité de surface perpendiculaire aux rayons solaires vaut F = 2800 W.m-² appelé constante solaire.

L’albédo de Vénus et de son atmosphère est de 0.70

On dit que l’équilibre radiatif d’une planète est atteint quand l’énergie rayonnée est égale à l’énergie reçue.

Données :

• [pic 1]Loi de Stefan-Boltzmann :Puissance thermique émise par un corps de température T, de surface S :[pic 2]

 Pémise  = σ . T4 . S   avec σ = 5,67 x10-8 W.m-2.K-4

• Surface d’un disque de rayon r : SD = π x r²[pic 3]
• Surface d’une sphère de rayon r : SS = 4 x πx r²[pic 4][pic 5]
• Rayon de Vénus : RV = 6050 km[pic 6]
• Document d’aide au raisonnement ci-contre
  [pic 7]

1. Dans un premier temps, on ne tient pas compte de l’atmosphère de Vénus

1. Faire un schéma simplifié du bilan énergétique de la planète sans atmosphère à l’équilibre radiatif .
2. Exprimer le flux thermique Φ1 reçu par Vénus, assimilée à un disque de même rayon RV que Vénus, en fonction de F et de RV.
3. En déduire le flux thermique par unité de surface vénusienne Φ2 puis le calculer.

1. Dans un second temps, on tient compte de l’albédo de Vénus et de son atmosphère.

1. Définir l’albédo.
2. Comment expliquer la différence d’albédo entre la Terre et Vénus.
3. Calculer la valeur du flux thermique par unité de surface réellement absorbé par Vénus.
4. Calculer la température moyenne à la surface de Vénus considérée à l’équilibre radiatif.
5. La température moyenne à la surface de Vénus est d’environ 450°C, commenter l’écart constaté en cherchant les causes de cet écart.

1. Fonctionnement d’une bouilloire

Un échantillon d’eau de volume V = 500 mL de température θ1 = 20°C est porté à ébullition dans une bouilloire en
Δt = 3 min. La puissance électrique de la résistance chauffante est P = 1,5 kW.

1. En supposant que toute l’énergie électrique reçue par la résistance est utilisée pour chauffer l’eau, déterminer la valeur du transfert thermique Q1 reçu par l’eau.
2. Calculer la variation de l’énergie interne de l’eau au cours de l’expérience.
3. Commenter les résultats aux questions a et b.

Donnée : capacité thermique massique de l’eau : 4180 J.kg-1 . K-1

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