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Spécialité Physique-Chimie Terminale

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Transferts thermiques : flux, résistance et loi de Newton

Conduction, convection et rayonnement ; flux thermique et résistance thermique d’une paroi ; parois en série et en parallèle ; bilan thermique du système Terre-atmosphère et effet de serre ; loi phénoménologique de Newton et évolution de la température d’un système.

À propos de cette page
Trente-six questions en trois niveaux : les définitions (modes de transfert, flux, résistance, albédo, effet de serre, loi de Newton), puis les calculs de résistance, de flux, de puissance rayonnée et de constante de temps, enfin des raisonnements sur les parois, le bilan radiatif et l’allure d’un refroidissement.

Les 36 questions du QCM en version texte

Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.

Niveau facile ★ — 12 questions

  1. Quelle est l’unité d’un flux thermique ?

    • A. le joule (J)
    • B. le kelvin par watt (K·W⁻¹)
    • C. le watt (W)
    • D. le watt par kelvin (W·K⁻¹)
    Réponse

    C. le watt (W) — Φ = Q ÷ Δt est une énergie par unité de temps, donc une puissance : des watts. Le joule mesure l’énergie Q, le kelvin par watt la résistance thermique.

  2. Un transfert thermique se fait spontanément :

    • A. du corps le plus chaud vers le plus froid
    • B. du corps le plus lourd vers le plus léger
    • C. du corps le plus dense vers le moins dense
    • D. du corps le plus grand vers le plus petit
    Réponse

    A. du corps le plus chaud vers le plus froid — Seul l’écart de température fixe le sens d’un transfert thermique spontané : du chaud vers le froid, jusqu’à l’équilibre thermique. Masse, densité et taille n’y changent rien.

  3. Quelle est l’unité de la résistance thermique ?

    • A. le watt par kelvin (W·K⁻¹)
    • B. le watt par mètre et par kelvin
    • C. le kelvin par joule (K·J⁻¹)
    • D. le kelvin par watt (K·W⁻¹)
    Réponse

    D. le kelvin par watt (K·W⁻¹) — De Φ = ΔT ÷ R, on tire R = ΔT ÷ Φ : des kelvins divisés par des watts. Le watt par mètre et par kelvin est l’unité de la conductivité λ.

  4. Dans une casserole d’eau chauffée par le fond, l’eau chaude monte et l’eau plus froide descend. Ce transfert est un exemple de :

    • A. conduction
    • B. convection
    • C. rayonnement
    • D. diffusion de la lumière
    Réponse

    B. convection — Un fluide qui se déplace en emportant son énergie : c’est la convection. La conduction se fait sans déplacement de matière, le rayonnement par ondes électromagnétiques.

  5. Le transfert thermique par rayonnement :

    • A. exige un contact entre deux solides
    • B. n’existe que dans les liquides en mouvement
    • C. suppose un déplacement d’ensemble de matière
    • D. peut se produire à travers le vide
    Réponse

    D. peut se produire à travers le vide — Le rayonnement est un échange d’ondes électromagnétiques : il n’a besoin d’aucun milieu matériel. C’est ainsi que l’énergie du Soleil nous parvient.

  6. La conduction thermique dans un solide correspond à :

    • A. le déplacement d’ensemble d’une partie du solide qui chauffe
    • B. la transmission de l’agitation thermique de proche en proche
    • C. l’émission d’ondes électromagnétiques par sa surface
    • D. l’augmentation de son volume quand on le chauffe
    Réponse

    B. la transmission de l’agitation thermique de proche en proche — Dans la conduction, les entités les plus agitées transmettent leur agitation à leurs voisines par chocs, sans que la matière se déplace. L’augmentation de volume est la dilatation, sans rapport.

  7. D’après la loi de Stefan-Boltzmann, la puissance rayonnée par unité de surface d’un corps noir est proportionnelle :

    • A. à la puissance quatrième de sa température absolue
    • B. à sa température exprimée en degrés Celsius
    • C. au carré de sa température absolue, en kelvins
    • D. à l’inverse de sa température absolue, en kelvins
    Réponse

    A. à la puissance quatrième de sa température absolue — p = σT⁴, avec T en kelvins : la puissance rayonnée croît très vite avec la température. Une température en degrés Celsius n’a pas de sens dans cette loi.

  8. L’albédo d’une planète est :

    • A. la fraction du rayonnement solaire reçu qu’elle absorbe et convertit
    • B. la puissance infrarouge qu’elle émet par mètre carré de sa surface
    • C. la fraction du rayonnement solaire reçu qu’elle renvoie vers l’espace
    • D. le rapport entre sa température et la température du Soleil
    Réponse

    C. la fraction du rayonnement solaire reçu qu’elle renvoie vers l’espace — L’albédo A est la part renvoyée (réfléchie ou diffusée) vers l’espace ; la part absorbée vaut 1 − A. Il vaut environ 0,30 pour la Terre.

  9. Les gaz à effet de serre de l’atmosphère :

    • A. absorbent l’essentiel de la lumière visible qui vient du Soleil
    • B. absorbent l’infrarouge du sol et en renvoient une partie vers lui
    • C. renvoient vers l’espace la plus grande partie de la lumière solaire
    • D. produisent une énergie qui s’ajoute à celle venue du Soleil
    Réponse

    B. absorbent l’infrarouge du sol et en renvoient une partie vers lui — L’atmosphère laisse passer l’essentiel du rayonnement solaire mais absorbe une partie de l’infrarouge du sol et en réémet vers lui : le sol est plus chaud. Aucune énergie n’est produite.

  10. D’après la loi de Newton, le flux cédé par un système à l’air qui l’entoure est proportionnel :

    • A. à sa température absolue, en kelvins
    • B. à sa masse et à sa capacité thermique massique
    • C. au carré de l’écart entre ces deux températures, en kelvins
    • D. à l’écart entre sa température et celle de l’air
    Réponse

    D. à l’écart entre sa température et celle de l’air — Φ = hS(T − Text) : le flux est proportionnel à l’écart de température. La masse et la capacité thermique interviennent dans la constante de temps, pas dans le flux.

  11. Quelle est l’unité du coefficient h de la loi de Newton ?

    • A. W·m⁻¹·K⁻¹
    • B. J·kg⁻¹·K⁻¹
    • C. W·m⁻²·K⁻¹
    • D. W·K⁻¹
    Réponse

    C. W·m⁻²·K⁻¹ — Φ = hS(T − Text) : h = Φ ÷ (S × ΔT), en watts par mètre carré et par kelvin. W·m⁻¹·K⁻¹ est l’unité de la conductivité, J·kg⁻¹·K⁻¹ celle de la capacité thermique massique, W·K⁻¹ celle du produit hS.

  12. Un bon isolant thermique est un matériau :

    • A. de faible conductivité thermique
    • B. de grande conductivité thermique
    • C. de faible résistance thermique
    • D. de grande capacité thermique massique
    Réponse

    A. de faible conductivité thermique — À épaisseur et surface égales, R = e ÷ (λS) est d’autant plus grande que λ est petite : un isolant conduit mal. La capacité thermique massique concerne le stockage, pas le passage de l’énergie.

Niveau moyen ★★ — 12 questions

  1. Une paroi de 5,0 cm d’épaisseur, de conductivité 0,050 W·m⁻¹·K⁻¹, a une surface de 20 m². Sa résistance thermique vaut :

    • A. 20 K·W⁻¹
    • B. 0,050 K·W⁻¹
    • C. 2,5 × 10⁻³ K·W⁻¹
    • D. 1,0 K·W⁻¹
    Réponse

    B. 0,050 K·W⁻¹ — R = e ÷ (λS) = 0,050 ÷ (0,050 × 20) = 0,050 K·W⁻¹. Oublier la surface donne 1,0 K·W⁻¹ ; inverser le quotient donne 20 K·W⁻¹.

  2. Une paroi de résistance thermique 0,040 K·W⁻¹ sépare deux milieux dont les températures diffèrent de 12 K. Le flux vaut :

    • A. 0,48 W
    • B. 4,8 × 10⁻³ W
    • C. 3,3 × 10⁻³ W
    • D. 3,0 × 10² W
    Réponse

    D. 3,0 × 10² W — Φ = ΔT ÷ R = 12 ÷ 0,040 = 300 W. Multiplier donne 0,48 W et diviser R par ΔT donne 3,3 × 10⁻³ W : des valeurs bien trop faibles.

  3. Un corps de capacité thermique 600 J·K⁻¹ échange avec l’air selon la loi de Newton, avec hS = 0,25 W·K⁻¹. Sa constante de temps vaut :

    • A. 2,4 × 10³ s
    • B. 1,5 × 10² s
    • C. 4,2 × 10⁻⁴ s
    • D. 6,0 × 10² s
    Réponse

    A. 2,4 × 10³ s — τ = C ÷ (hS) = 600 ÷ 0,25 = 2 400 s, soit 40 min. Multiplier les deux données donnerait 150 s ; diviser hS par C, 4,2 × 10⁻⁴ s.

  4. Une consommation de 2,5 kWh correspond à une énergie de :

    • A. 9,0 × 10³ J
    • B. 2,5 × 10³ J
    • C. 9,0 × 10⁶ J
    • D. 1,5 × 10⁵ J
    Réponse

    C. 9,0 × 10⁶ J — 1 kWh = 1 000 W × 3 600 s = 3,6 × 10⁶ J, donc 2,5 kWh = 9,0 × 10⁶ J. Multiplier seulement par 3 600 donne un résultat mille fois trop petit.

  5. Un flux de 50 W traverse une paroi pendant 2,0 h. L’énergie transférée vaut :

    • A. 3,6 × 10⁵ J
    • B. 1,0 × 10² J
    • C. 6,0 × 10³ J
    • D. 25 J
    Réponse

    A. 3,6 × 10⁵ J — Q = Φ × Δt avec Δt en secondes : 50 × 7 200 = 3,6 × 10⁵ J. Garder 2,0 h donne 100 J, convertir en minutes seulement 6,0 × 10³ J.

  6. Deux couches en série, de résistances 0,060 K·W⁻¹ et 0,090 K·W⁻¹, sont soumises à un écart de 15 K. Le flux vaut :

    • A. 4,2 × 10² W
    • B. 2,25 W
    • C. 1,0 × 10² W
    • D. 1,7 × 10² W
    Réponse

    C. 1,0 × 10² W — En série, R = 0,060 + 0,090 = 0,150 K·W⁻¹ et Φ = 15 ÷ 0,150 = 100 W. Additionner les flux de chaque couche, comme en parallèle, donnerait 4,2 × 10² W.

  7. Deux parois côte à côte, de résistances 0,25 K·W⁻¹ et 0,040 K·W⁻¹, séparent deux milieux dont l’écart de température vaut 10 K. Le flux total vaut :

    • A. 34 W
    • B. 40 W
    • C. 2,5 × 10² W
    • D. 2,9 × 10² W
    Réponse

    D. 2,9 × 10² W — Même écart pour les deux parois : les flux s’additionnent, 10 ÷ 0,25 + 10 ÷ 0,040 = 40 + 250 = 290 W. Additionner les résistances donnerait 34 W.

  8. Un corps noir à 400 K émet, par mètre carré de surface, une puissance de :

    • A. 3,63 W
    • B. 1,45 × 10³ W
    • C. 9,07 × 10⁻³ W
    • D. 2,27 × 10⁻⁵ W
    Réponse

    B. 1,45 × 10³ W — p = σT⁴ = 5,67 × 10⁻⁸ × 400⁴ = 1,45 × 10³ W. Les autres valeurs correspondent à T³, T² et T au lieu de T⁴.

  9. Une planète sans atmosphère reçoit 1 000 W·m⁻² face au Soleil ; son albédo vaut 0,20. Elle absorbe en moyenne, par mètre carré de sa surface :

    • A. 800 W·m⁻²
    • B. 250 W·m⁻²
    • C. 50 W·m⁻²
    • D. 200 W·m⁻²
    Réponse

    D. 200 W·m⁻² — Part absorbée : 1 − 0,20 = 0,80 ; répartie sur la sphère, quatre fois plus grande que le disque éclairé : 1 000 × 0,80 ÷ 4 = 200 W·m⁻². Oublier le facteur 4 donne 800 W·m⁻².

  10. Au bout d’une durée égale à τ, l’écart de température entre un système et l’extérieur, initialement de 50 K, vaut environ :

    • A. 18 K
    • B. 25 K
    • C. 32 K
    • D. 5,0 K
    Réponse

    A. 18 K — L’écart est multiplié par e⁻¹ ≈ 0,37 : 50 × 0,37 ≈ 18 K. 32 K est ce qui a été perdu (63 %), 25 K la moitié.

  11. Pour un système de constante de temps τ = 600 s, l’écart avec l’extérieur est divisé par 2 au bout de :

    • A. 3,0 × 10² s
    • B. 4,2 × 10² s
    • C. 1,2 × 10³ s
    • D. 8,7 × 10² s
    Réponse

    B. 4,2 × 10² s — e^(−t/τ) = 1/2 donne t = τ × ln 2 = 600 × 0,693 ≈ 4,2 × 10² s. Diviser τ par ln 2 au lieu de multiplier donne 8,7 × 10² s.

  12. Une résistance chauffante de 120 W est placée dans une enceinte qui perd de l’énergie selon la loi de Newton, avec hS = 4,0 W·K⁻¹ ; l’extérieur est à 15 °C. La température limite vaut :

    • A. 30 °C
    • B. 15 °C
    • C. 45 °C
    • D. 495 °C
    Réponse

    C. 45 °C — À la limite, les pertes compensent le chauffage : hS(T − 15) = 120, donc T = 15 + 120 ÷ 4,0 = 45 °C. 30 °C est seulement l’écart avec l’extérieur.

Niveau difficile ★★★ — 12 questions

  1. On remplace une paroi par une autre, deux fois plus épaisse et de conductivité thermique deux fois plus grande, de même surface. Sa résistance thermique :

    • A. est multipliée par 4
    • B. est multipliée par 2
    • C. est divisée par 4
    • D. reste la même
    Réponse

    D. reste la même — R = e ÷ (λS) : doubler e multiplie R par 2, doubler λ la divise par 2. Les deux effets se compensent, et le flux reste le même.

  2. Pendant un refroidissement qui suit la loi de Newton, la durée nécessaire pour que l’écart avec l’extérieur soit divisé par 2 :

    • A. est proportionnelle à l’écart de départ
    • B. ne dépend pas de l’écart de départ
    • C. double quand l’écart de départ double
    • D. dépend seulement de la température extérieure
    Réponse

    B. ne dépend pas de l’écart de départ — L’écart suit e^(−t/τ) : le diviser par 2 demande t = τ × ln 2, quel que soit l’écart de départ. C’est la signature d’une décroissance exponentielle.

  3. Un mur est formé de trois couches traversées successivement par le même flux. Sa résistance thermique est :

    • A. la moyenne des résistances des trois couches
    • B. la résistance de la couche la plus isolante
    • C. la somme des résistances des trois couches
    • D. l’inverse de la somme des inverses des résistances
    Réponse

    C. la somme des résistances des trois couches — Même flux dans chaque couche : les chutes de température s’ajoutent, donc les résistances aussi. L’inverse de la somme des inverses concerne des parois côte à côte.

  4. La constante de temps τ = mc ÷ (hS) d’un refroidissement :

    • A. augmente quand la surface d’échange diminue
    • B. diminue quand la masse du système augmente
    • C. ne dépend pas de la capacité thermique massique
    • D. augmente quand le coefficient h augmente
    Réponse

    A. augmente quand la surface d’échange diminue — S est au dénominateur : moins de surface d’échange, refroidissement plus lent. Augmenter m ou c augmente τ ; augmenter h la diminue.

  5. La loi de Newton modélise correctement un refroidissement si :

    • A. le système est parfaitement isolé de son milieu extérieur pendant la mesure
    • B. le système est un gaz parfait enfermé dans un récipient rigide et fermé
    • C. l’écart de température reste modéré et l’extérieur garde une température constante
    • D. le flux cédé ne dépend pas de l’écart de température
    Réponse

    C. l’écart de température reste modéré et l’extérieur garde une température constante — C’est une loi tirée de l’expérience, valable pour des écarts modérés, face à un thermostat. Un système isolé n’échangerait rien.

  6. Dans le bilan radiatif d’une planète, on divise la constante solaire par 4 parce que :

    • A. la planète intercepte la lumière sur un disque mais rayonne par toute sa sphère
    • B. un quart seulement de la lumière solaire traverse son atmosphère
    • C. elle ne reçoit de lumière que pendant le quart de chaque journée
    • D. un quart de la lumière reçue est renvoyé vers l’espace par l’albédo de la planète
    Réponse

    A. la planète intercepte la lumière sur un disque mais rayonne par toute sa sphère — La planète intercepte la lumière sur un disque d’aire πR² et émet par une sphère d’aire 4πR² : en moyenne, chaque mètre carré reçoit le quart de la constante solaire. L’albédo est pris en compte à part, par le facteur 1 − A.

  7. Si l’albédo d’une planète sans atmosphère augmente (davantage de glaces), sa température d’équilibre :

    • A. augmente, car la glace renvoie le rayonnement vers le sol
    • B. diminue, car elle absorbe une moindre part du rayonnement solaire
    • C. reste la même, car le Soleil lui envoie toujours la même puissance
    • D. diminue, car elle émet alors davantage d’infrarouge vers l’espace
    Réponse

    B. diminue, car elle absorbe une moindre part du rayonnement solaire — Elle absorbe la fraction 1 − A de la puissance reçue : si A augmente, elle absorbe moins, et l’équilibre s’établit à une température plus basse, où elle émet moins.

  8. Dans le modèle à une couche de l’effet de serre, le sol est plus chaud qu’en l’absence d’atmosphère parce que :

    • A. l’atmosphère lui renvoie la lumière visible qu’il a réfléchie
    • B. l’atmosphère produit de l’énergie en absorbant l’infrarouge du sol
    • C. il n’émet plus aucun rayonnement infrarouge vers l’atmosphère
    • D. il reçoit aussi le rayonnement infrarouge émis par l’atmosphère
    Réponse

    D. il reçoit aussi le rayonnement infrarouge émis par l’atmosphère — La couche absorbe l’infrarouge du sol et rayonne vers le haut et vers le bas : le sol reçoit le Soleil plus cet infrarouge, et doit être plus chaud pour émettre autant qu’il reçoit.

  9. Un élève calcule σ × 27⁴ pour la puissance rayonnée par mètre carré d’une surface à 27 °C. Son résultat est :

    • A. environ 15 000 fois trop petit, car il faut une température en kelvins
    • B. juste, car un écart de 1 °C vaut un écart de 1 K dans cette loi
    • C. environ 300 fois trop petit, car il faut une température en kelvins
    • D. trop grand, car la constante σ s’emploie avec des kelvins
    Réponse

    A. environ 15 000 fois trop petit, car il faut une température en kelvins — Dans σT⁴, T est une température absolue : 300 K et non 27. Le rapport (300 ÷ 27)⁴ vaut environ 15 000. L’égalité des écarts en °C et en K ne vaut que pour des différences.

  10. Sur la courbe d’un refroidissement qui suit la loi de Newton, la tangente à l’origine coupe l’asymptote T = Text à l’instant :

    • A. t = τ × ln 2
    • B. t = 5τ
    • C. t = τ
    • D. t = τ ÷ 2
    Réponse

    C. t = τ — La pente à l’origine vaut −(T₀ − Text) ÷ τ : en gardant cette pente, il faudrait exactement τ pour combler l’écart. τ × ln 2 est la durée pour diviser l’écart par 2.

  11. Un système chauffé par une puissance P constante perd de l’énergie selon la loi de Newton. Si l’on divise hS par 2 en l’isolant mieux, sa température limite :

    • A. reste la même, car la puissance P n’a pas changé
    • B. se rapproche de la température extérieure, car il perd moins
    • C. est atteinte deux fois plus rapidement
    • D. s’écarte deux fois plus de la température extérieure
    Réponse

    D. s’écarte deux fois plus de la température extérieure — T(lim) − Text = P ÷ (hS) : cet écart double. La constante de temps C ÷ (hS) double aussi : la limite est atteinte plus lentement.

  12. En régime stationnaire, dans un mur formé de deux couches, le flux thermique :

    • A. est plus grand dans la couche la plus isolante
    • B. est le même dans les deux couches
    • C. est plus grand dans la couche la moins isolante
    • D. diminue au fil de la traversée du mur
    Réponse

    B. est le même dans les deux couches — En régime stationnaire, aucune énergie ne s’accumule dans le mur : tout ce qui entre dans une couche en ressort. Le flux est donc le même partout ; c’est la chute de température qui diffère d’une couche à l’autre.

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