Physique-chimie et mathématiques (STI2D · STL) · Première · Physique-chimie — Énergie
Énergie interne et transferts thermiques
Chauffer, fondre : Q = mcΔθ ou mL.
En bref
Chauffer une maison, faire fondre un métal, isoler un mur : tout repose sur l’énergie interne des corps et sur les transferts thermiques.
Température et énergie interne
- La température mesure l’agitation des particules. En kelvins : T(K) = θ(°C) + 273,15.
- L’énergie interne U est l’énergie totale stockée à l’échelle microscopique ; elle augmente quand on chauffe.
« Chaleur » et « température » ne sont pas synonymes. La chaleur (le transfert thermique Q) est une énergie qui passe d’un corps à un autre ; la température est une propriété d’un corps.
Chauffer sans changer d’état
Q = m × c × Δθ
c : capacité thermique massique (J/(kg·°C)), l’énergie pour élever 1 kg de 1 °C.
| La matière | c (J/(kg·°C)) |
|---|---|
| Eau | 4 180 |
| Huile | 2 000 |
| Aluminium | 900 |
| Acier | 450 |
L’eau a une capacité thermique très élevée : elle stocke beaucoup de chaleur, d’où son usage dans les chauffe-eau et les circuits de refroidissement.
Changer d’état
Pendant un changement d’état d’un corps pur, la température reste constante.
Q = m × L
L : énergie massique de changement d’état (J/kg). Pour l’eau : fusion 334 kJ/kg, vaporisation 2 260 kJ/kg.
| Sens | Échange |
|---|---|
| Fusion, vaporisation, sublimation | Le corps reçoit de l’énergie |
| Solidification, liquéfaction, condensation | Le corps cède de l’énergie |
Exemple travaillé
Porter 2 L d’eau (2 kg) de 20 °C à 100 °C : Q1 = 2 × 4 180 × 80 = 668 800 J ≈ 669 kJ.
En vaporiser ensuite 0,1 kg : Q2 = 0,1 × 2 260 000 = 226 kJ.
Avec une plaque de 2 000 W de rendement 70 % (1 400 W utiles), la première étape dure 668 800 / 1 400 ≈ 478 s, soit 8 min.
Les trois modes de transfert
| Le mode | Principe | Exemple |
|---|---|---|
| Conduction | De proche en proche, dans la matière, sans déplacement de matière | Manche d’une casserole qui chauffe |
| Convection | Par déplacement d’un fluide (air, eau) | Air chaud qui monte au-dessus d’un radiateur |
| Rayonnement | Par ondes électromagnétiques, même dans le vide | Soleil, feu de cheminée, infrarouge |
Un transfert thermique se fait spontanément du corps chaud vers le corps froid.
Isoler
Un bon isolant est un mauvais conducteur thermique : il contient souvent de l’air immobile (laine, mousse, double vitrage). On limite aussi la convection (calfeutrer) et le rayonnement (surfaces réfléchissantes, couverture de survie).
Teste-toi
6 questions pour vérifier
Touche une réponse : la correction s’affiche tout de suite.
1.Convertir 25 °C en kelvins donne environ…
2.Chaleur et température désignent la même grandeur.
3.Énergie pour chauffer 2 kg d’eau de 20 à 100 °C (c = 4 180) ?
4.Pendant la fusion de la glace pure, la température…
5.Énergie pour vaporiser 0,1 kg d’eau (L = 2 260 kJ/kg) ?
6.Lors de la solidification, le corps…
0 / 6 questions
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