TPE : Caloduc
La Capillarité
-
Hypothèses et questions posées durant cette partie :
Constitué d’un matériau enveloppe en cuivre très conducteur et d’un fluide caloporteur qui transporte l'énergie, le caloduc fonctionne sous l’effet de la capillarité.
Qu'est ce que la capillarité ?
La capillarité est un phénomène présent dans notre vie quotidienne : les éponges imbibent l'eau, le café monte dans le sucre et ce dernier prend la couleur du café...
A quoi est-elle due ?
La capillarité est modélisée par une interface à laquelle on associe une certaine élasticité : ce sont les tensions superficielles.
L'association d'un fluide et d'un matériau exerce des tensions superficielles différentes.
Ainsi, nous pouvons dire que la capillarité dépend à la fois du liquide, du solide qui le supporte et du gaz qui environne les deux.
En voici quelques différences :
Pourquoi a-t-on introduit la capillarité dans un tube de cuivre ?
Quelles en sont les conséquences ?
L’effet de capillarité influence t-il la performance du caloduc à conduire la chaleur ?
L’introduction de rainures longitudinales dans un barreau de cuivre rempli d'eau favorise t-il l’échange thermique ?
?
Tension superficielle :
Force existant au niveau de toute surface de séparation de deux milieux différents.
La capillarité :
Etude des interfaces entre 2 liquides non miscibles, entre un liquide et l'air ou entre un liquide et une surface.
Il apparaît alors des forces dites capillaires en liaison avec le phénomène de tension superficielle pour le liquide.
Si l'on place une goutte d'eau sur un matériau à faible énergie de surface, tel que le plastique, les forces d'attractions internes de la goutte seront prépondérantes :
-
La goutte aura donc un minimum de contact avec le matériau.
En revanche si le matériau développe une énergie moléculaire de surface qui se rapproche de celle de l'eau, cette énergie de surface du matériau aura tendance à contrebalancer les forces à l'intérieur de la goutte d'eau :
-
Cette dernière augmentera sa surface de contact avec le matériau. Elle sera donc aplatie.
On peut expliquer brièvement ce phénomène par le schéma suivant représentatif de la capillarité dans les rainures du caloduc :
3 paramètres rentrent en jeu :
-
la tension superficielle γs-l (solide - liquide)
-
la tension superficielle γl-v (liquide - vapeur)
-
la tension superficielle γs-v (solide - vapeur)
L'équilibre de la goutte se traduit par l'équation suivante :
Ainsi le phénomène de capillarité est lié à un équilibre entre l'énergie de surface : liquide-vapeur, vapeur-solide, solide-liquide.
γs-v=γs-l + γl-v cos Ѳ
soit : cos Ѳ =(γs-v - γs-l ) / γv-l