Grand Oral Physique Sujet : En quoi les principes de thermodynamique peuvent-ils nous permettre de construire une maison en Antarctique ?

« Grand Oral Physique Sujet : En quoi les principes de thermodynamique peuvent-ils nous permettre de construire une maison en Antarctique ? Introduction : J’adorerais pouvoir vivre un hiver en Antarctique, notamment pour découvrir les paysages incroyables de cette région du monde.

Mais si nous nous rendons sur une calotte glaciaire au cœur de l’Antarctique pendant un long hiver polaire, d’après des études récentes, il est possible de ressentir des températures allant jusqu’à -98°C.

Seul problème : un être humain est incapable d’inhaler un air aussi froid sans risquer de graves hémorragies pulmonaires, pouvant entraîner la mort.

Il faudrait donc trouver un moyen d’admirer le paysage tout en restant en sécurité.

J’ai alors pensé à construire une maison, mais tant qu’à faire, je voudrais qu’elle soit confortable : idéalement à 20°C à l’intérieur.

Le problème est donc de taille : quels matériaux utiliser pour résister à des températures aussi extrêmes ? Quelle forme donner à la maison pour conserver au mieux l’énergie thermique ? C’est pour cela que nous allons nous demander : en quoi les principes de la thermodynamique peuvent-ils nous permettre de construire une maison en Antarctique ? Pour y répondre, nous verrons tout d'abord comment limiter les pertes d'énergie thermique grâce à la structure et aux matériaux de la maison, puis nous étudierons les moyens de chauffage permettant de maintenir efficacement une température agréable. Partie 1 : Limiter les pertes d’énergie thermique Pour vivre confortablement dans une maison en Antarctique, il est essentiel de réduire au maximum les pertes d’énergie.

Ces pertes se font par trois types de transferts thermiques : la conduction, la convection, le rayonnement.

La conduction est particulièrement importante dans la structure, pour minimiser les pertes, il faut donc choisir : des matériaux à faible conductivité thermique et des parois épaisses pour limiter le flux thermique. ɸ = ΔT / Rth et Rth = e / λ*S (Bien expliciter ces 2 formules pour voir l’influence de chaque paramètre) La forme de la maison a aussi une grande importance : une maison en forme de dôme est idéale car elle réduit la surface exposée au froid par rapport à son volume, ce qui limite les échanges thermiques.

Ainsi, en choisissant de bons matériaux isolants et une forme adaptée, on réduit fortement les besoins en chauffage. Par conséquent il faut donc isoler différemment le toit de la maison des murs.

Ceci est dû au phénomène de convection.

Le phénomène en question à pour principe la montée des fluides chaud vers le haut et les fluides froids vers le bas.

(EX : l’air froid lorsqu’il passe proche d’un radiateur va prendre l’énergie thermique car le transfert thermique ce fait toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, puis il va monter vers le toit.

Pendant ce temps, l’air chaud qui est en haut va donner son énergie thermique au toit donc l’air va se refroidir et redescendre vers le bas.) Donc l’air chaud se dirigeant toujours vers le haut, on comprend vite que les plus grandes pertes thermiques se trouveront vers le toit de la maison.

Il faut donc mettre une isolation plus importante au niveau du toit plutôt qu’au niveau des murs.

Cette isolation peut donc passer par plusieurs facteurs qui peuvent être une plus grande épaisseur de matériaux, ou un matériau avec une plus grande résistance thermique Rth ou encore avec une plus petite conductivité thermique λ. Partie 2 : Chauffer efficacement Même avec une excellente isolation, il est nécessaire de chauffer la maison.

Pour comprendre comment bien chauffer, on peut utiliser le premier principe de la thermodynamique : ΔU = W + Q Ici, la température ne doit pas changer, donc l’énergie interne ΔU reste constante.

Ça signifie que toute l’énergie thermique perdue (Q) à travers les murs et le toit doit être entièrement compensée par un apport d’énergie, sous forme de travail (W). Par exemple, si on perd de la chaleur par les murs, il faut chauffer autant pour rétablir l’équilibre. En pratique, cela revient à dire que chaque watt perdu doit être remplacé par un watt fourni, par un radiateur, une pompe à chaleur ou un système de récupération. C’est cette équation qui justifie toute la logique de chauffage dans une maison bien isolée. Dans une zone isolée comme l’Antarctique, il.... »