1- La chaleur et température 1-1 La chaleur
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1- La chaleur et température
1-1 La chaleur
La chaleur est un échange d’énergie qui apparaît au cours d’une transformation physique ou
chimique. Il y a transfert d’énergie entre deux corps.
Ex : Un corps chaud en contact avec un corps froid, un échange de chaleur va provoquer un
refroidissement du corps chaud et une augmentation de température pour le corps froid jusqu'à
équilibre des températures.
On mesure la quantité de chaleur (noté Q) en Joules (J).
Multiple : le kiloJoule (kJ) ; 1 kJ = 1 000 J
1-2 La température
La température est une grandeur physique macroscopique qui permet de rendre
compte de l’état thermique d’un corps.
Elle est un indicateur de l’agitation des particules constituant le corps. Plus la
température est élevée et plus les particules ont des mouvements agités
On en utilise principalement deux :
- L’échelle Kelvin dite échelle absolue puisque la température T = 0°K est la plus petite
température qui existe (elle correspond à une agitation nulle des molécules du corps).
- L’échelle Celsius est définit par la relation : θ = T – 273,15, qui la lie à l’échelle absolue. Une
température s’exprime alors en °C.
La température est une grandeur repérable et non mesurable en physique.
(Mélanger 10 g d’eau à 20 °C avec 30 g d’eau à 60 °C n’ont jamais fait 40 g d’eau à 80°C).
2- Mode de transfert de la chaleur
2-1 La conduction
La chaleur se transmet de proche en proche sans transfert de matière d’autant plus
rapidement que le corps est meilleur conducteur de la chaleur.
2-2 La convection
Sous forme de courant ascendant et descendant au sein d’un liquide. Le courant
chaud monte et le froid descend formant ainsi une cellule de convection.
(Le liquide chaud étant moins dense que le liquide froid).
2-3 Le rayonnement
Les corps chauds, comme le soleil émettent des rayonnements électromagnétiques.
Il se propage dans l’air et le vide et transporte de l’énergie.
Résumé du cours
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3- Mesure d’une quantité de chaleur sans changement d’état physique
On chauffe régulièrement, sans provoquer l’ébullition, une masse m de liquide. On peut admettre
que la quantité de chaleur Q reçue par le liquide est effectivement proportionnelle à la durée de
chauffage si celui-ci est maintenu constant. L’expérience montre que :
Expérience n°1 Expérience n°2 Expérience n°3
Expérience n°1 : La quantité de chaleur fournie à un corps pour élever sa température de 1 à 2 est
proportionnelle à la variation de température :
Expérience n°2 : Pour une même élévation de température, la quantité de chaleur est
proportionnelle à la masse.
Expérience n°3 : Pour une même élévation de température, la quantité de chaleur fournie à un corps
dépend de la nature de ce corps.
La quantité de chaleur, dépend de 3 paramètres : la masse, la variation de température et la
nature du corps. Elle se traduit par le calcul suivant :
Avec :
Définition de la chaleur massique d’un corps : C’est la quantité de chaleur qu’il faut fournir pour
élever 1 kg de matière pour une variation de température : = 1°C.
Exemple de chaleur massique :
Chaleurs massiques de quelques corps exprimées en J/kg/°C
Fer Plomb Cuivre Ethanol Eau Mercure
460 130 400 2 480 4 180 140
Symbole
Grandeur Quantité de
chaleur Masse
Variation de
température Chaleur massique
Unités
internationales
Joule
(J)
kilogramme
(kg)
En degré Celsius
(°C)
Joule par kilogramme par degré
(J/kg/°C) ou (J.kg-1.°C-1)
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4- Application
Exercice n°1 : Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de d’eau
de à .
Exercice n°2 : Le lait cru pris à une température de , doit être porté à la température de
pour être pasteurisé. Calculer la quantité de chaleur qu’il faut fournir pour pasteuriser 1 Litre de
lait de masse de .
Chaleur massique du lait :
5 – La puissance thermique
C’est la quantité de chaleur libérée ou absorbée par seconde.
Application : Un chauffe eau électrique de puissance contient d’eau à 16°C.
3-1 Calculer la quantité de chaleur nécessaire (Q) pour amener la température de l’eau à 40°C.
3-2 Combien de temps faut-il pour chauffer la totalité de l’eau contenue dans le chauffe eau.
(Exprimer en heure la durée)
On donne : 1 L d’eau = 1 kg et la Chaleur massique de l’eau :
Symbole
Grandeur Puissance Energie Temps
Unités
internationales
Watt
(W)
Joule
(J)
Seconde
(s)
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6- Application
Exercice n°1 : La vendange a été effectuée à une température plutôt basse, le jus de raisin se trouve :
alors à une température . La fermentation ne démarre correctement que si la
température du jus de raisin est à la température . Pour cela, le jus de raisin doit être
préalablement réchauffé dans une cuve à l’aide d’une installation thermique de puissance
.
La masse de jus de raisin à réchauffer est .
1-1 Montrer que l’énergie thermique nécessaire pour amener le contenu de la cuve de à
a une valeur de l’ordre de .
1-2 Le vigneron souhaite que la durée de l’opération de réchauffage dure . Déterminer la
puissance thermique que doit délivrer le dispositif de chauffage.
1-3 Le vigneron constate qu’avec cette installation la fermentation ne démarre pas au bout de 4
heures. Proposer en justifiant, une explication.
Données : 1 heure correspond à 3 600 secondes ; Chaleur massique du vin : .
(Partie d’un sujet bac pro 2018)