1- La chaleur et température 1-1 La chaleur

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1- La chaleur et température

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

Joules (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)