⚛ Physique-chimie · Bac Pro · Physique Première Bac Pro ASSP · Chapitre 3

Température et transferts thermiques

Température et énergie thermique, échelles Celsius et Kelvin, modes de transfert (conduction, convection, rayonnement), isolants et conducteurs, énergie nécessaire pour chauffer un liquide, applications au confort et aux soins.

1. Température et énergie thermique

Définition

La température mesure l'agitation des particules d'un corps ; elle se mesure au thermomètre, en degrés Celsius (°C) ou en kelvins (K) : $T(\text{K}) = \theta(\,{}^\circ\text{C}) + 273$. Un transfert thermique (ou chaleur) est un transfert d'énergie qui se fait spontanément du corps le plus chaud vers le plus froid.

2. Les modes de transfert

conductioncuillère dans la soupeconvectioneau chauffée par le basrayonnementsoleil, lampe infrarouge
Les trois modes de transfert thermique.

Propriété · Trois modes

Conduction : de proche en proche dans la matière, sans déplacement (métaux = bons conducteurs ; air, laine, polystyrène = isolants). Convection : par déplacement d'un fluide (air, eau). Rayonnement : par ondes électromagnétiques, même dans le vide (soleil, lampe infrarouge).

Exemple · La couverture de survie

Sa face argentée réfléchit le rayonnement infrarouge émis par le corps : posée côté argenté vers la victime, elle limite son refroidissement.

3. Énergie pour chauffer un liquide

Propriété · Relation

Pour élever de $\Delta\theta$ la température d'une masse $m$ de liquide : $Q = m \times c \times \Delta\theta$, avec $c$ la capacité thermique massique ($c_\text{eau} = 4\,180$ J·kg?¹·°C?¹).

Exemple · Le bain de bébé

Chauffer $20$ L d'eau de $15\,{}^\circ\text{C}$ à $37\,{}^\circ\text{C}$ : $Q = 20 \times 4\,180 \times 22 \approx 1{,}84 \times 10^6$ J, soit environ $0{,}51$ kWh.

? (°C)t (min)20253035400510152035 °C : limite basse du bain
Refroidissement de l'eau d'un bain de bébé (37 °C au départ) dans une pièce à 20 °C.

Expérience · Comparer deux matériaux isolants

Matérieldeux béchers d'eau à $60\,{}^\circ\text{C}$, l'un entouré de laine, l'autre nu, deux thermomètres, chronomètre.
ProtocoleRelever la température des deux béchers toutes les $2$ minutes pendant $20$ minutes.
ObservationAu bout de $20$ min : $52\,{}^\circ\text{C}$ dans le bécher isolé, $41\,{}^\circ\text{C}$ dans l'autre.
InterprétationLa laine emprisonne de l'air, mauvais conducteur : elle ralentit les pertes par conduction et convection.

Attention · Sécurité thermique

Vérifier la température de l'eau du bain au thermomètre ($37\,{}^\circ\text{C}$) et celle du biberon sur l'intérieur du poignet ; régler le chauffe-eau à $50\,{}^\circ\text{C}$ maximum aux robinets pour éviter les brûlures.

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Exercices corrigés

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1

Conversion en kelvins

★☆☆

Convertir $37\,{}^\circ\text{C}$ en kelvins.

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3

Sens du transfert

★☆☆

On pose une poche de glace sur une cheville. Dans quel sens se fait le transfert thermique ?

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4

Identifier le mode

★☆☆

Mode de transfert : a) une cuillère chauffe dans un bol de soupe ; b) un radiateur chauffe l'air d'une pièce ; c) le soleil chauffe la peau.

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5

Conducteur ou isolant

★☆☆

Classer : cuivre, laine, air, aluminium, polystyrène.

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6

Couverture de survie

★★☆

Pourquoi la couverture de survie protège-t-elle du froid ?

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7

Énergie pour chauffer de l'eau

★★☆

Énergie pour chauffer $2$ kg d'eau de $20\,{}^\circ\text{C}$ à $80\,{}^\circ\text{C}$ ?

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8

Biberon

★★☆

Énergie pour chauffer $0{,}24$ kg de lait ($c \approx 3\,900$) de $5\,{}^\circ\text{C}$ à $37\,{}^\circ\text{C}$ ?

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9

Durée de chauffage

★★★

Une bouilloire de $2\,000$ W fournit $501\,600$ J à l'eau. Durée minimale ?

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10

Lecture de la courbe

★★☆

D'après la figure du cours, au bout de combien de temps l'eau du bain passe-t-elle sous $35\,{}^\circ\text{C}$ ?

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11

Température finale de la pièce

★☆☆

Vers quelle température l'eau du bain tend-elle si on la laisse longtemps ?

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12

Expérience des isolants

★★☆

Dans l'expérience du cours, calculer la baisse de température de chaque bécher.

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13

Double vitrage

★★☆

Pourquoi un double vitrage isole-t-il mieux qu'un simple vitrage ?

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14

Vêtements en couches

★★☆

Pourquoi conseille-t-on à une personne âgée de porter plusieurs couches de vêtements fins ?

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15

Lampe chauffante

★☆☆

Par quel mode une lampe chauffante de table à langer réchauffe-t-elle le bébé ?

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16

Thermomètre médical

★☆☆

À partir de quelle température parle-t-on de fièvre ? d'hypothermie ?

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17

Eau chaude sanitaire

★★☆

Pourquoi limiter l'eau chaude à $50\,{}^\circ\text{C}$ dans une salle de bain de crèche ?

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18

Comparer deux masses

★★☆

Faut-il plus d'énergie pour chauffer $1$ L ou $10$ L d'eau de $20\,{}^\circ\text{C}$ à $40\,{}^\circ\text{C}$ ? Dans quel rapport ?

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19

Coût du bain

★★★

Avec l'exemple du cours ($0{,}51$ kWh) et un chauffe-eau de rendement $90\,\%$, coût d'un bain à $0{,}25$ €/kWh ?

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) Le rayonnement nécessite un milieu matériel. b) Le transfert thermique va du chaud vers le froid. c) $0\,{}^\circ\text{C} = 273$ K.

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