Collège · 5ᵉ · Physique
Chaleur et température
Transferts thermiques par conduction, convection, rayonnement
À propos de cette page
Ce cours de physique en cinquième sur « Chaleur et température » suit le programme officiel de physique de cinquième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : La température mesure l'agitation des particules, Deux échelles : degré Celsius et kelvin, Chaleur et température : deux grandeurs différentes, Le sens spontané d'un transfert thermique. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de cinquième à réussir en physique.
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La température mesure l'agitation des particules
Définition. La température d'un corps traduit le degré d'agitation de ses particules : plus elles s'agitent, plus la température est élevée. On la mesure avec un thermomètre.
Exemple. Dans un verre d'eau chaude, les molécules se déplacent bien plus vite que dans le même verre sorti du réfrigérateur : c'est ce que traduit l'écart de température.
Astuce. Pour une mesure correcte : plonger le thermomètre au cœur du corps étudié, sans toucher les parois du récipient, et attendre que la valeur affichée se stabilise.
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Deux échelles : degré Celsius et kelvin
Règle. La température s'exprime en degrés Celsius (°C) ou en kelvins (K), l'unité du système international. La conversion s'écrit $$T(\mathrm{K}) = \theta(^\circ\mathrm{C}) + 273{,}15$$
| Situation | En °C | En K |
|---|---|---|
| zéro absolu | $-273{,}15$ °C | $0$ K |
| fusion de la glace | $0$ °C | $273{,}15$ K |
| salle de classe | $20$ °C | $293{,}15$ K |
| ébullition de l'eau pure | $100$ °C | $373{,}15$ K |
Attention ! On écrit « $20$ °C » avec le symbole du degré, mais « $293{,}15$ K » sans symbole de degré. Et le zéro absolu ($0$ K) est une limite qu'aucun corps ne peut franchir : il n'existe pas de température négative en kelvins.
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Chaleur et température : deux grandeurs différentes
| Température | Chaleur | |
|---|---|---|
| Ce qu'elle décrit | l'agitation des particules d'un corps | une énergie transférée entre deux corps |
| Unité | °C ou K | joule (J) |
| Instrument | thermomètre | elle se calcule, elle ne se lit pas directement |
| Appartient à un corps ? | oui, c'est son état | non : elle n'existe que pendant le transfert |
Attention ! Un corps ne « contient » pas de chaleur : il est à une certaine température. La chaleur est l'énergie qui passe d'un corps à un autre. Dire « ce radiateur contient beaucoup de chaleur » est incorrect ; il est simplement à une température élevée.
Exemple. Une bougie a une flamme à plus de $1\,000$ °C, mais elle transfère bien moins d'énergie qu'un radiateur à $60$ °C chauffant une pièce entière : température élevée ne signifie pas énergie transférée importante.
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Le sens spontané d'un transfert thermique
Règle. Un transfert thermique se fait spontanément du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jamais l'inverse.
Exemple. Quand tu tiens une boisson glacée, ce n'est pas « le froid » qui entre dans ta main : c'est l'énergie de ta main qui part vers la boisson. Ta peau se refroidit parce qu'elle perd de l'énergie.
Attention ! « Le froid » n'est pas une substance qui se déplace. Un réfrigérateur ne « produit pas de froid » : il extrait de l'énergie des aliments et la rejette à l'arrière, dans la pièce.
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Les trois modes de transfert thermique
| Mode | Où ? | Déplacement de matière ? | Exemple |
|---|---|---|---|
| conduction | surtout dans les solides | non : de proche en proche | la cuillère métallique qui chauffe dans la soupe |
| convection | dans les liquides et les gaz | oui : le fluide chaud se déplace | l'air chaud d'un radiateur qui monte au plafond |
| rayonnement | partout, même dans le vide | non : aucun support nécessaire | la chaleur du Soleil qui nous parvient |
Pourquoi l'air chaud monte-t-il ? Chauffé, un fluide se dilate : son volume augmente alors que sa masse reste la même, donc il devient moins dense que le fluide froid qui l'entoure et s'élève. C'est le moteur de la convection.
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L'équilibre thermique
Définition. Deux corps mis en contact échangent de l'énergie jusqu'à atteindre la même température : c'est l'équilibre thermique. À ce moment-là, les transferts nets s'arrêtent.
Exemple. Un glaçon à $0$ °C plongé dans un verre d'eau à $20$ °C : le glaçon fond et l'eau se refroidit, jusqu'à ce que l'ensemble atteigne une température intermédiaire commune.
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Conducteurs et isolants thermiques
Définitions. Un bon conducteur thermique laisse l'énergie se propager facilement (métaux : cuivre, aluminium, fer). Un isolant thermique ralentit fortement les transferts (laine de verre, polystyrène, bois, laine, air immobile).
| Objet | Principe utilisé |
|---|---|
| poignée en plastique d'une casserole | isolant : la main ne se brûle pas |
| double vitrage | lame de gaz immobile entre deux vitres |
| couette, pull en laine | l'air emprisonné entre les fibres isole |
| bouteille isotherme | vide entre deux parois (ni conduction ni convection) et parois réfléchissantes (limite le rayonnement) |
Attention ! Un pull ne « produit » pas de chaleur : il limite les transferts thermiques entre ton corps et l'air extérieur. C'est ton corps qui fournit l'énergie.
Astuce. Un carrelage et un tapis dans la même pièce sont à la même température, mais le carrelage paraît plus froid : c'est un meilleur conducteur, il extrait l'énergie de ton pied bien plus vite.
En bref
- La température traduit l'agitation des particules ; elle se mesure en °C ou en K, avec $T(\mathrm{K}) = \theta(^\circ\mathrm{C}) + 273{,}15$.
- Le zéro absolu vaut $0$ K, soit $-273{,}15$ °C : aucune température ne peut être plus basse.
- La chaleur est une énergie transférée (en joules) : un corps n'en contient pas, il est à une température.
- Le transfert se fait spontanément du chaud vers le froid. « Le froid » ne se déplace pas.
- Trois modes : conduction (solides, de proche en proche), convection (fluides, avec déplacement de matière), rayonnement (même dans le vide).
- Deux corps en contact évoluent vers l'équilibre thermique : même température, transferts arrêtés.
- Métaux = bons conducteurs ; laine de verre, polystyrène, air immobile = isolants.
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