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
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.
Expérience · Comparer deux matériaux isolants
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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Conversion en kelvins
★☆☆Convertir $37\,{}^\circ\text{C}$ en kelvins.
Conversion en degrés Celsius
★☆☆Convertir $253$ K en °C.
Sens du transfert
★☆☆On pose une poche de glace sur une cheville. Dans quel sens se fait le transfert thermique ?
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.
Conducteur ou isolant
★☆☆Classer : cuivre, laine, air, aluminium, polystyrène.
Couverture de survie
★★☆Pourquoi la couverture de survie protège-t-elle du froid ?
Énergie pour chauffer de l'eau
★★☆Énergie pour chauffer $2$ kg d'eau de $20\,{}^\circ\text{C}$ à $80\,{}^\circ\text{C}$ ?
Biberon
★★☆Énergie pour chauffer $0{,}24$ kg de lait ($c \approx 3\,900$) de $5\,{}^\circ\text{C}$ à $37\,{}^\circ\text{C}$ ?
Durée de chauffage
★★★Une bouilloire de $2\,000$ W fournit $501\,600$ J à l'eau. Durée minimale ?
Lecture de la courbe
★★☆D'après la figure du cours, au bout de combien de temps l'eau du bain passe-t-elle sous $35\,{}^\circ\text{C}$ ?
Température finale de la pièce
★☆☆Vers quelle température l'eau du bain tend-elle si on la laisse longtemps ?
Expérience des isolants
★★☆Dans l'expérience du cours, calculer la baisse de température de chaque bécher.
Double vitrage
★★☆Pourquoi un double vitrage isole-t-il mieux qu'un simple vitrage ?
Vêtements en couches
★★☆Pourquoi conseille-t-on à une personne âgée de porter plusieurs couches de vêtements fins ?
Lampe chauffante
★☆☆Par quel mode une lampe chauffante de table à langer réchauffe-t-elle le bébé ?
Thermomètre médical
★☆☆À partir de quelle température parle-t-on de fièvre ? d'hypothermie ?
Eau chaude sanitaire
★★☆Pourquoi limiter l'eau chaude à $50\,{}^\circ\text{C}$ dans une salle de bain de crèche ?
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 ?
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 ?
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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