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
Six problèmes sur les transferts thermiques : une marmite sur une plaque électrique, le bain d’un petit frère au thermomètre, un relevé de métal chaud dans l’eau froide, une véranda en double vitrage, deux bouteilles de café comparées et deux chambres qui refroidissent la nuit, volets fermés ou ouverts.
6 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».
Résoudre un problème : la méthode
Je repère les corps, leurs températures et l’instant de chaque relevé.
Je trouve le corps le plus chaud : c’est lui qui cède de l’énergie, jusqu’à l’équilibre thermique.
Je calcule les écarts par une soustraction (plus haute − plus basse), en passant par 0 si une température est négative.
Je nomme le mode de transfert (conduction, convection, rayonnement) et ce qui le freine (air immobile, vide, surface brillante).
Je vérifie : la température d’équilibre est entre les températures de départ, et rien ne « produit du froid ».
Problème 1 · La marmite sur la plaque★★★Facile
Une marmite en fonte remplie d’eau est posée sur une plaque électrique. Ses deux poignées sont en fonte, et l’on remue l’eau avec une cuillère en bois. Au bout d’un moment, l’eau frémit.
1. Par quel mode l’énergie passe-t-elle de la plaque au fond de la marmite ?
Deux solides en contact : conduction.
2. Par quel mode se répartit-elle ensuite dans toute l’eau ?
L’eau chauffée au fond monte, l’eau froide descend : convection.
3. En chauffant, l’eau du fond se dilate : elle devient moins que l’eau froide du dessus.
Même masse, plus grand volume : moins dense.
4. Les poignées en fonte deviennent brûlantes : la fonte (un alliage de fer) est un thermique.
La fonte est un métal : conducteur thermique. Il faut des maniques.
5. La cuillère en bois peut rester dans l’eau sans brûler la main : le bois est un thermique.
Le bois est un isolant thermique.
Problème 2 · Le bain du petit frère★★★Facile
Pour le bain de son petit frère, Malik vise une eau à 37 °C. Il remplit la baignoire et plonge un thermomètre de bain au milieu de l’eau. Une fois la valeur stabilisée, il lit 42 °C.
1. De combien de degrés l’eau doit-elle refroidir ? °C
42 − 37 = 5 °C.
2. L’eau cède de l’énergie à l’air de la salle de bains, qui est qu’elle.
L’énergie va du plus chaud vers le plus froid : l’air est plus froid que l’eau.
3. En refroidissant, les particules de l’eau s’agitent .
Température plus basse : particules moins agitées.
4. Malik ajoute un peu d’eau froide et remue ; une fois la valeur stabilisée, le thermomètre indique 36,5 °C. Depuis le premier relevé, la température a baissé de °C.
42 − 36,5 = 5,5 °C. Un peu trop : Malik peut ajouter un filet d’eau chaude.
Problème 3 · Le métal dans l’eau froide★★★Moyen
Un bloc de métal chaud est plongé dans un petit volume d’eau froide. On relève les deux températures toutes les 5 minutes.
Temps (min)
0
5
10
15
20
25
Bloc de métal (°C)
80
62
50
43
40
39
Eau (°C)
10
22
31
36
38
39
1. Quel est l’écart de température entre les deux corps au départ ? °C
80 − 10 = 70 °C.
2. Au bout de combien de minutes sont-ils à la même température ? min
Au dernier relevé, 25 min, les deux sont à 39 °C.
3. De combien de degrés le bloc a-t-il refroidi en tout ? °C
80 − 39 = 41 °C.
4. De combien de degrés l’eau s’est-elle réchauffée ? °C
39 − 10 = 29 °C. Les deux variations ne sont pas égales : elles dépendent de la quantité et de la nature de chaque corps.
5. La moyenne des deux températures de départ vaut °C ; la température d’équilibre, 39 °C, n’est donc pas cette moyenne.
(80 + 10) ÷ 2 = 45 °C.
Problème 4 · La véranda★★★Moyen
Une véranda est fermée par du double vitrage : entre les deux vitres se trouve une lame de gaz immobile de 12 mm. Un soir d’hiver, il fait 20,5 °C à l’intérieur et −1,5 °C dehors.
1. Quel est l’écart de température entre l’intérieur et l’extérieur ? °C
20,5 − (−1,5) = 20,5 + 1,5 = 22 °C.
2. L’énergie traverse les vitres de l’intérieur vers l’.
Du plus chaud vers le plus froid : vers l’extérieur.
3. Si le gaz entre les vitres circulait, il transporterait l’énergie d’une vitre à l’autre par .
Un gaz qui circule transporte l’énergie par convection : immobile, il conduit très mal.
4. Le jour, le Soleil réchauffe la véranda à travers les vitres, par .
Le rayonnement du Soleil traverse le verre : rayonnement.
Problème 5 · Deux bouteilles de café★★★Difficile
Deux élèves versent la même quantité du même café, à 78 °C, dans une bouteille isotherme et dans une bouteille ordinaire en métal. Deux heures plus tard, le café est à 71 °C dans la bouteille isotherme et à 26 °C dans la bouteille en métal. La pièce est à 21 °C.
1. De combien de degrés le café a-t-il refroidi dans la bouteille isotherme ? °C
78 − 71 = 7 °C.
2. Et dans la bouteille en métal ? °C
78 − 26 = 52 °C.
3. Le café qui a cédé le plus d’énergie à la pièce est celui de la bouteille en .
Même café, même quantité : celui qui a le plus refroidi, dans la bouteille en métal, a cédé le plus d’énergie.
4. Le café de la bouteille isotherme a lui aussi refroidi : elle les transferts sans les supprimer.
Elle ralentit les transferts ; elle ne fabrique pas d’énergie et ne les empêche pas tout à fait.
5. Après un temps très long, les deux cafés seront à °C.
Ils atteindront l’équilibre thermique avec la pièce : 21 °C.
Problème 6 · Les volets fermés la nuit★★★Difficile
Chez Inès, le chauffage s’arrête à 22 h : les deux chambres sont alors à 20 °C, et il fait −1 °C dehors. Dans la chambre d’Inès, les volets sont fermés ; dans celle de son frère, ils sont restés ouverts. À 7 h, Inès lit 15 °C dans sa chambre et 13 °C dans celle de son frère.
1. De combien de degrés la chambre d’Inès s’est-elle refroidie pendant la nuit ? °C
20 − 15 = 5 °C.
2. Et celle de son frère ? °C
20 − 13 = 7 °C : sans volets, la chambre a perdu son énergie plus vite.
3. Fermés, les volets emprisonnent devant la vitre une couche d’ immobile, qui isole.
L’air immobile conduit très mal l’énergie : il ralentit les pertes vers l’extérieur.
4. À 7 h, dans les deux chambres, les particules de l’air s’agitent qu’à 22 h.
Les chambres ont refroidi : les particules de l’air s’agitent moins.
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