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Énergie : transferts thermiques, chaleur et température
Mesurer une température et comprendre ce qu’elle traduit, l’agitation des particules ; la chaleur, énergie qui passe du corps chaud au corps froid jusqu’à l’équilibre thermique ; conduction, convection et rayonnement ; conducteurs, isolants et isolation.
À propos de cette page
La température et l’agitation des particules
En 6e, tu as mesuré des températures au thermomètre, par exemple pendant un changement d’état. En 5e, on comprend ce que cette mesure traduit à l’échelle de la matière.
• La matière est faite de minuscules particules qui bougent sans arrêt : on dit qu’elles sont agitées.
• La température traduit cette agitation : plus les particules s’agitent, plus la température est élevée.
• Un écart de température se calcule par une soustraction : température la plus haute − température la plus basse.
Bien mesurer une température
Je plonge la partie sensible du thermomètre (le réservoir ou la sonde) au cœur de ce que je mesure, sans toucher le fond ni les parois du récipient ; j’attends que la valeur ne bouge plus ; avec un thermomètre à liquide, je lis l’œil en face du haut de la colonne. Dans ce thermomètre, le liquide (souvent de l’alcool coloré) se dilate quand la température monte : la colonne s’élève.
Le toucher ne suffit pas : la peau sent surtout si elle gagne ou perd de l’énergie, et elle se laisse tromper. Seul le thermomètre mesure une température.
Chaque petite graduation vaut 1 °C ; les nombres sont écrits tous les 10 °C. Ici, la colonne s’arrête trois graduations au-dessus de 20 : le thermomètre indique 23 °C. Sous 0, on compte vers le bas : trois graduations sous 0, c’est −3 °C.
Ce que traduit la température
Quand on chauffe un corps, on ne fabrique pas de nouvelles particules et elles ne grossissent pas : elles s’agitent davantage. Quand il refroidit, elles s’agitent moins.
Je prévois, je teste, j’observe, je conclus. Je prévois : « une goutte de colorant se répandra plus vite dans l’eau chaude ». Je teste : je verse une goutte de colorant alimentaire dans deux verres d’eau, l’un à 10 °C, l’autre à 60 °C, sans remuer. J’observe : le colorant se répand bien plus vite dans l’eau chaude. Je conclus : les particules de l’eau chaude s’agitent davantage et dispersent le colorant plus vite.
Comparer l’agitation. Un thé à 80 °C et un jus de fruits à 6 °C : les particules s’agitent davantage dans le thé, dont la température est la plus élevée.
Calculer un écart. Le matin, le thermomètre du jardin indique −4 °C ; l’après-midi, 9 °C. De −4 à 0 : 4 degrés ; de 0 à 9 : 9 degrés. La température a augmenté de 4 + 9 = 13 °C.
Bien mesurer. Pour l’eau d’une piscine gonflable, je plonge la sonde au milieu de l’eau, loin des bords, et j’attends que l’affichage ne change plus avant de lire.
Réflexe — pour comparer deux températures, je pense « agitation » : la température la plus haute correspond aux particules les plus agitées. Pour un écart, je soustrais la plus basse de la plus haute, en passant par 0 si l’une est négative.
Attention — « chaud » ou « froid » au toucher n’est pas une mesure. Et un écart de température est toujours positif : de −4 °C à 9 °C, il y a 13 °C, pas 5 °C.
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Chaleur, sens du transfert et équilibre thermique
Une boisson chaude refroidit, une boisson fraîche se réchauffe : de l’énergie passe d’un corps à l’autre. Il faut savoir dans quel sens, et jusqu’à quand.
• Spontanément, le transfert se fait toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jamais l’inverse.
• Le corps chaud cède de l’énergie : sa température baisse. Le corps froid en reçoit : sa température monte.
• Les échanges continuent jusqu’à ce que les deux corps aient la même température : c’est l’équilibre thermique. Cette température finale est comprise entre les deux températures de départ.
Chaleur et température : deux grandeurs différentes
| Température | Chaleur (transfert thermique) | |
|---|---|---|
| Ce qu’elle décrit | l’agitation des particules d’un corps | de l’énergie qui passe d’un corps à un autre |
| Unité | degré Celsius (°C) | joule (J) |
| Comment la connaître | on la mesure avec un thermomètre | elle ne se lit pas sur un thermomètre |
| Appartient au corps ? | oui : c’est son état à un instant | non : elle n’existe que pendant le transfert |
Dire « cette tarte sortie du four contient beaucoup de chaleur » est donc incorrect : la tarte est à une température élevée et possède de l’énergie thermique ; la chaleur, c’est l’énergie qu’elle cède au plat et à l’air.
Une température élevée ne veut pas dire beaucoup d’énergie transférée. La flamme d’une bougie dépasse 1 000 °C, mais une bougie ne cède qu’environ 80 joules chaque seconde ; un radiateur de chauffage central, dont l’eau est vers 60 °C, en cède de l’ordre de 1 000 chaque seconde à la pièce, grâce à sa grande surface.
Le froid ne se déplace pas
Quand une maison se refroidit en hiver, ce n’est pas « le froid » qui entre : c’est l’énergie de la maison qui s’échappe vers l’extérieur, plus froid. Un réfrigérateur ne fabrique pas de froid : alimenté en électricité, il extrait de l’énergie des aliments et la rejette dans la cuisine, par l’arrière ou les flancs de l’appareil, qui sont tièdes. Il peut le faire parce qu’il consomme de l’énergie électrique : spontanément, l’énergie ne passe jamais du froid vers le chaud.
Lire l’équilibre thermique sur une courbe
On plonge une gourde en métal pleine de lait chaud, à 66 °C, dans une bassine d’eau à 14 °C, et on relève les deux températures toutes les 2 minutes.
Le lait cède de l’énergie à l’eau : sa courbe descend, celle de l’eau monte. Au bout de 14 min, les deux courbes se rejoignent à 30 °C : c’est l’équilibre thermique. Ensuite, elles restent confondues.
30 °C est bien entre 14 °C et 66 °C. Ce n’est pas la moyenne (40 °C) : la température d’équilibre dépend aussi de la quantité et de la nature de chaque corps.
Un objet laissé longtemps dans une pièce finit à la température de la pièce : l’air de la pièce est si abondant que sa propre température ne change presque pas.
Qui cède de l’énergie ? Une compote sortie du réfrigérateur à 4 °C est posée dans une cuisine à 23 °C. L’air de la cuisine, plus chaud, cède de l’énergie à la compote, qui se réchauffe jusqu’à 23 °C.
La main sur une vitre en hiver. La main, plus chaude que la vitre glacée, lui cède de l’énergie : c’est pour cela qu’elle se refroidit. Rien de « froid » n’entre dans la main.
Une phrase juste. « Le chocolat chaud a refroidi : il a cédé de l’énergie à l’air de la pièce », et non « le froid de la pièce est entré dans le chocolat ».
Réflexe — je repère le corps le plus chaud : c’est toujours lui qui cède de l’énergie. La température finale est commune aux deux corps et comprise entre leurs températures de départ.
Attention — la température d’équilibre n’est pas forcément la moyenne des deux températures de départ. Et « contenir de la chaleur » est faux : un corps est à une température, la chaleur est l’énergie qui passe.
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Les trois modes de transfert thermique
L’énergie thermique peut voyager de trois façons, qu’on appelle les trois modes de transfert thermique.
• Convection : dans un liquide ou un gaz (un fluide), la partie chaude se déplace et emporte son énergie ; la partie froide prend sa place. Il y a déplacement de matière.
• Rayonnement : tout corps émet un rayonnement, d’autant plus fort qu’il est chaud ; un objet qui absorbe ce rayonnement se réchauffe. Le rayonnement n’a besoin d’aucune matière : il traverse même le vide.
| Mode | Où ? | Déplacement de matière ? | Exemple |
|---|---|---|---|
| conduction | surtout dans les solides, entre corps en contact | non : de proche en proche | les pieds nus sur un dallage chauffé par le soleil |
| convection | dans les liquides et les gaz | oui : le fluide chaud se déplace | dans une pièce chauffée, l’air est plus chaud près du plafond qu’au sol |
| rayonnement | partout, même dans le vide | non : aucune matière nécessaire | l’énergie du Soleil, qui traverse le vide de l’espace jusqu’à la Terre |
Pourquoi le fluide chaud monte-t-il ?
Chauffé, un liquide ou un gaz se dilate : son volume augmente alors que sa masse ne change pas. Il devient donc moins dense que le fluide froid qui l’entoure et il monte ; le fluide froid, plus dense, descend prendre sa place. Ce va-et-vient s’appelle un courant de convection.
Émettre et absorber un rayonnement
Le rayonnement d’un objet très chaud se voit : une braise rougeoie, le filament d’une ampoule à incandescence brille. Celui d’un objet tiède, comme notre corps, est invisible (c’est de l’infrarouge), mais une caméra thermique le détecte. Une surface sombre absorbe davantage le rayonnement qu’elle reçoit et chauffe plus ; une surface claire ou brillante en renvoie une grande partie.
Je prévois, je teste, j’observe, je conclus. Je prévois : « une boîte peinte en noir chauffera plus au soleil qu’une boîte peinte en blanc ». Je teste : deux boîtes de conserve identiques, la même quantité d’eau à la même température, posées côte à côte au soleil pendant 30 minutes, un thermomètre dans chacune. J’observe : l’eau de la boîte noire est plus chaude. Je conclus : la surface noire absorbe davantage le rayonnement du Soleil.
Un feu de cheminée, trois modes à la fois. Les braises chauffent par conduction les pierres du foyer qu’elles touchent ; l’air et les fumées chaudes montent dans le conduit par convection ; assis à deux mètres, on sent la chaleur des flammes sur le visage par rayonnement.
L’aquarium chauffé. La résistance chauffante est placée près du fond : l’eau chauffée monte, l’eau plus froide descend la remplacer ; ce courant de convection répartit l’énergie dans tout le bac.
Réflexe — contact entre deux corps ou à l’intérieur d’un solide → conduction ; un liquide ou un gaz qui circule → convection ; à distance, sans contact ni courant de fluide, même à travers le vide → rayonnement.
Attention — on dit « l’air chaud monte », pas « la chaleur monte » : par conduction et par rayonnement, l’énergie part dans toutes les directions, du plus chaud vers le plus froid. Et le rayonnement n’est pas seulement de la lumière visible : un corps tiède rayonne de façon invisible.
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Conducteurs, isolants et isolation
En 6e, tu as classé des matériaux en conducteurs et isolants thermiques. En 5e, on explique comment ils agissent sur les trois modes de transfert.
• Les meilleurs isolants emprisonnent de l’air dans de petites cases ou entre des fibres : l’air conduit très mal l’énergie et, bloqué, il ne peut pas circuler (pas de convection).
• Isoler, c’est ralentir les transferts, pas les supprimer. Un isolant agit dans les deux sens : il garde le chaud au chaud et le froid au froid. Il ne produit aucune énergie.
• À la même température, un conducteur paraît plus froid au toucher qu’un isolant : il emporte plus vite l’énergie de la main.
La bouteille isotherme : contre les trois modes
Entre ses deux parois, on a fait le vide : sans matière, ni conduction ni convection. Les parois sont réfléchissantes (argentées) : elles renvoient le rayonnement. Le bouchon est en matériau isolant. La boisson refroidit quand même, mais très lentement.
Isoler une maison
- De la laine de verre ou de la laine de roche dans les combles et les murs : de l’air emprisonné entre les fibres.
- Le double vitrage : deux vitres séparées par une lame d’air ou d’argon immobile, souvent de 16 mm. Si ce gaz circulait, l’énergie passerait par convection d’une vitre à l’autre.
- Des volets fermés la nuit : une couche d’air immobile de plus devant la vitre.
- Un conducteur là où l’on veut que l’énergie passe : le corps métallique d’un radiateur cède vite à l’air l’énergie de l’eau chaude.
Le carrelage et le tapis. Dans la même pièce, ils sont à la même température, par exemple 19 °C. Le carrelage paraît pourtant plus froid sous le pied nu : meilleur conducteur, il emporte l’énergie du pied bien plus vite que le tapis.
L’igloo. La neige fraîche est faite surtout d’air emprisonné entre les cristaux de glace : c’est un bon isolant. L’énergie dégagée par les occupants ne s’échappe que lentement : à l’intérieur, il fait bien moins froid que dehors.
La couverture de survie. Ce film très mince et brillant renvoie vers le corps une grande partie du rayonnement qu’il émet : elle limite les pertes par rayonnement. Elle ne chauffe pas : c’est le corps qui fournit l’énergie.
Réflexe — pour expliquer une isolation, je cherche ce qui freine chaque mode : de l’air immobile ou du vide contre la conduction et la convection, une surface brillante contre le rayonnement.
Attention — un pull, une couette ou un sac isotherme ne produisent pas d’énergie : ils ralentissent les transferts. Un sac isotherme garde des surgelés froids parce qu’il ralentit l’arrivée de l’énergie de l’air extérieur, plus chaud.
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Pour aller plus loin
Se verra au lycée — le kelvin. Les physiciens utilisent aussi une autre échelle de température, le kelvin (K), qui part de la température la plus basse possible, −273,15 °C : l’agitation des particules y serait la plus faible possible. Au collège, on travaille en degrés Celsius.
Les particules, en chimie. Ce que sont ces particules (molécules, atomes) et comment elles s’organisent dans un solide, un liquide ou un gaz : voir « Atomes et molécules : la matière à l’échelle microscopique ». Les changements d’état et leurs paliers de température : « Changements d’état : température, masse et volume ».
L’énergie thermique parmi les autres formes. Réservoirs, convertisseurs et énergie dissipée sous forme thermique : voir « Énergie : formes, conversions et chaînes énergétiques ».
Rayonnement et climat. Le sol chauffé par le Soleil émet à son tour un rayonnement infrarouge, en partie absorbé par les gaz à effet de serre : voir « Énergie : sources renouvelables et non renouvelables ».
Revoir la 6e. Conducteurs et isolants thermiques, avec l’expérience des baguettes : « Propriétés de la matière : comparer et trier les matériaux » ; mesurer une température de changement d’état : « Changements d’état : températures et paliers ».
- On mesure la température au thermomètre, en degrés Celsius ; elle traduit l’agitation des particules : plus elles s’agitent, plus elle est élevée.
- La chaleur, ou transfert thermique, est de l’énergie (en joules) qui passe d’un corps à un autre ; un corps ne contient pas de chaleur, il est à une température.
- Spontanément, l’énergie va du corps le plus chaud vers le plus froid, jusqu’à l’équilibre thermique : une même température, comprise entre celles de départ.
- Conduction : de proche en proche, surtout dans les solides ; convection : le fluide chaud, moins dense, se déplace et monte ; rayonnement : émis par tout corps, il traverse même le vide.
- Les métaux sont conducteurs ; les isolants, surtout l’air immobile, ralentissent les transferts sans produire d’énergie ; à même température, un conducteur paraît plus froid.
Questions fréquentes
Que mesure la température ?
Elle traduit l’agitation des particules qui forment la matière : plus elles s’agitent, plus la température est élevée. On la mesure avec un thermomètre, en degrés Celsius (°C).
Quelle est la différence entre la chaleur et la température ?
La température décrit l’état d’un corps ; elle se mesure au thermomètre, en °C. La chaleur, ou transfert thermique, est de l’énergie qui passe d’un corps à un autre parce qu’ils n’ont pas la même température ; elle se compte en joules. Un corps ne « contient » pas de chaleur.
Dans quel sens se fait un transfert thermique ?
Spontanément, toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jusqu’à ce qu’ils aient la même température : c’est l’équilibre thermique. Le froid n’est pas quelque chose qui se déplace.
Quels sont les trois modes de transfert thermique ?
La conduction, de proche en proche, surtout dans les solides, sans déplacement de matière ; la convection, dans les liquides et les gaz, où le fluide chaud se déplace en emportant son énergie ; le rayonnement, émis par tout corps, qui se propage même dans le vide, comme celui du Soleil.
Comment fonctionne un isolant thermique ?
Il ralentit les transferts thermiques sans les supprimer. Les meilleurs emprisonnent de l’air immobile (laine, polystyrène, plumes) : l’air conduit très mal et, bloqué, il ne circule pas. Une bouteille isotherme ajoute le vide entre ses parois et des parois réfléchissantes contre le rayonnement.
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