Table des matières

Calorimètre

Calorimètre

L'équipe du projet

Matthieu Roux (Arduino/Thermistance/Coupole pour échantillon)
Diego Ormaechea (Coordinateur/Actualisation wiki/Module Peltier/Assemblage)
Eloi Aumaitre (Actualisation du wiki/Thermistance/Ventilateur/Commandes)
Benjamin Di Santo (Module Peltier/Isolation/Assemblage)
Yanis Issighid (Isolation/Alimentation électrique/Assemblage)

Pour suivre l'évolution du projet plus en détail : Journal de Bord

Les commandes

Fusible surchauffe Commandé

Module Peltier Commandé

Ventilateur Commandé

Arduino UNO Commandé

Thermistance Commandée

Description du projet

L'objectif de cette Unité d'Enseignement est de concevoir et fabriquer un appareil de mesure physico-chimique avec un budget limité. Notre objectif est de réaliser un calorimètre, instrument de mesure, permettant de suivre le comportement thermique d'un objet à l'aide d'une enceinte adiabatique.

En thermodynamique, le calorimètre est une enceinte isolante qui empêche tout échange d'énergie et de chaleur avec le milieu extérieur. Il utilise la relation entre la quantité de chaleur (énergie) apportée et l'évolution de la température au cours du temps pour nous informer sur la capacité thermique (massique) de l'échantillon étudié.

On utilise la formule : Q=m⋅c⋅△T Avec:

Q: la quantité de chaleur (J)
m: la masse de l'échantillon (kg)
c: la capacité thermique de l'échantillon (J/(kg.K))
△T: la différence de température (K)

La capacité thermique est une propriété intrinsèque de chaque matériau : elle représente la capacité qu’a un matériau à restituer ou absorber l’énergie par transfert thermique. La capacité thermique massique est égale à la chaleur nécessaire (en J) pour élever la température de 1 degré d’un matériau de 1 kg. En réalité, les capacités thermiques dépendent de la température et varient selon les conditions expérimentales (suivant que l’expérience a lieu à volume ou pression constante).

Précautions à prendre avant utilisation du calorimètre

On se sert de la formule P=U.I qui nous donne la puissance en Watts. Pour trouver l'énergie fournie au système calorimètre+air+coupole+échantillon on multiplie par le temps de chauffe, on a : dE=P.dt

Trouver la capacité calorifique du calorimètre (l'énergie nécessaire pour le faire augmenter de 1K).

Faire l'expérience avec de l'eau (car sa capacité calorifique est connue). Cela va nous permettre de connaître précisément les caractéristiques de notre calorimètre.

Problèmes à résoudre :

Dimensions du calorimètre
Valeur, taille et puissance de la résistance
Générateur supplémentaire ( L'Arduino ne fournit que 5V , à comparer avec la résistance )
Matériel défectueux
Tests expérimentaux
Programmer l'Arduino en fonction de la thermistance, du ventilateur et du le module peltier (via le transistor)
Mettre en place le circuit électrique
Concevoir la boite pour isolation maximale et pour maintenir la température

Fonctionnement

La chaleur n'étant pas une fonction d'état, la quantité de chaleur mise en jeu au cours d'une transformation dépend de la façon de procéder (transformation réversible ou irréversible). C'est pourquoi il est nécessaire que la quantité de chaleur soit égale à la variation d'une fonction d'état, ce qui est le cas à pression constante ou à volume constant.

Le calorimètre est un appareil destiné à mesurer les échanges de chaleur (énergie calorifique, du latin calor signifiant chaleur). Cet échange peut se produire entre plusieurs corps, mettre en jeu des changements d'état ou des réactions chimiques. Le calorimètre constitue un système thermodynamique isolé, ce qui implique qu'il n'y a pas d'échange de matière et d'énergie (travail ou chaleur) avec le milieu extérieur. Néanmoins, cela ne signifie pas qu'il n'y a pas des transferts de chaleur entre les différentes parties de l'ensemble calorimétrique (composés objets de l'étude, accessoires et paroi du calorimètre…); notre but étant de les minimiser au maximum.

Projet

Pièces majeures

Apport de quantité de chaleur

C'est l'un des éléments les plus importants de notre projet. Notre calorimètre doit être capable de fournir une quantité de chaleur controléé dans l'enceinte et de faire varier la température du système entre -30°C et 110°C. Notre choix c'est porté vers un module thermo-électrique reposant sur l'effet Peltier qui est capable de remplir toutes ces fonctions.

L'effet Peltier est un phénomène physique de déplacement de chaleur en présence d'un courant électrique. L'effet se produit dans des matériaux conducteurs de natures différentes liés par des jonctions (contacts). L'une des jonctions se refroidit alors légèrement, pendant que l'autre se réchauffe. La valeur de la chaleur dégagée et son signe dépendent de l'aspect des substances étant en contact, l'intensité du courant et le temps du passage du courant, c'est-à-dire la quantité de chaleur dégagée est en proportion de la quantité de charge passé dans le contact.

La cause de l'effet de Peltier est la différence de contact des potentiels dans la place de la liaison de deux substances qui crée le champ intérieur de contact. Si dans le contact il y a un courant, ce champ va contribuer au passage du courant, ou empêcher. Si le courant coule contre le champ de contact, la source extérieure doit dépenser l'énergie supplémentaire qui se détache dans le contact qu'amènera à sa chauffe. Si le courant prend le chemin du champ de contact, il peut être soutenu par ce champ, qui fait le travail du déplacement des charges. Dans ce cas l'énergie nécessaire est prise à la substance qu'amène à son refroidissement dans la place du contact.

L'effet Peltier est à la base des systèmes de refroidissement par effet thermoélectrique. Schéma résumé :

Expérimentation

- Recherche d'un composant répondant à nos critère et de plus adapté à notre budget.(ie : avoir un différentielle important de température (min 50°C) et nécessitant une tension et une intensité proche.

- Essai 1 : Branchement et mise en fonction simple

- Essai 2 : Branchement et mise en fonction dans une enceinte en polystyrène extrudé avec suivi de la température

Caractéristique module Peltier: http://www.hebeiltd.com.cn/peltier.datasheet/TEC1-12706.pdf

Suivi de la température

Élément majeur de notre machine : le capteur de thermique. Un capteur thermique mesure la température à l'intérieur de l'enceinte fermé. Le choix de ce composant a été compliqué parce qu'il en existe des modèles divers. Les capteurs envisagés : thermomètre, thermistance, (infrarouge), thermocouple

Nous avons opté pour une thermistance qui répond à nos critères de prix, de taille, de résistance et de gamme de température. La mode de restitution des données à aussi compter dans notre choix.

Modèle choisi : Thermistance KTY81/220 (CI de capteur de température, -55 °C, +150 °C, SOD-70, 2)

Datasheet : http://www.farnell.com/datasheets/1503771.pdf

Expérimentation

-Essai 1: Programmation, branchement et mise en fonctionnement d'une thermistance (1 kOhm) avec arduino et exploitation des données.

Régulation de la chaleur

Ce bloc concerne la dissipation thermique nécessaire sur la face inférieur du module Peltier. Nous avons hésiter entre trois possibilités : - Cuve à eau avec pompe - Cuve pour réactions chimiques - Ventilateur+Grille thermique

Nous avons opté pour le ventilateur avec grille :

Il a l'intéret d'avoir une mise en fonctionnement peu complexe, qui utilise l'Arduino Uno, qui s'adapte au design de notre calorimetre, son efficacité ainsi que l'assemblage/collage au module Peltier est tout à fait réalisable.

Datasheet : Générateur Générateur pas cher Data Sheet Générateur pas cher

Expérimentation

Essai 1: Mise en fonctionnement du ventilateur

Essai 2: Mise en fonctionnement du ventilateur avec générateur et grille thermique

Design

Forme globale : Pavé relativement cubique composé d'une boite en contreplaqué isolé grâce à du polystyrène. A l'intérieur, une enceinte en contreplaqué supposé isolé du milieu extérieur. Au bas de l'enceinte se trouve le module Peltier et en dessous de l'enceinte il y a le système de dissipation de la chaleur.

Conception des boîtes: BoxMaker

SCHÉMAS

Schéma fonctionnel :

Schéma réel :

Contraintes expérimentales : - Découpe du polystyrène SOLUTION : Cutter, Lime, Couteau Plastique - Fonctionnement découpeuse pour le contreplaqué : Boite conçu puis découpé

Isolant

Nous optons logiquement pour du polystyrène récupéré :

ARDUINO

Module Peltier: {{ :wiki:projets:arduino_montage_peltier_1_.png?200 |}}

Un transistor est nécessaire pour le bon fonctionnement du module Peltier avec l'Arduino Uno… Nous optons pour un transistor BC547 B sur les conseils de notre responsable. Datasheet : http://www.farnell.com/datasheets/1868820.pdf

Thermistance: