Karamö, le prof virtuelLeçon 18 sur 21
Notion de chaleur
Je sais distinguer température et chaleur, passer d'une échelle de température à l'autre, reconnaître les modes de transfert de la chaleur et calculer une quantité de chaleur avec Q = m × c × Δθ.
- 55 min
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Distinguer la température (grandeur repérée par un thermomètre) et la chaleur (énergie transférée)
- Convertir des températures entre les échelles Celsius, Kelvin et Fahrenheit
- Reconnaître la conduction, la convection et le rayonnement
- Connaître les effets de la chaleur
- Calculer une quantité de chaleur reçue ou cédée par un corps
Avant de commencer : Les grandeurs mesurables et leurs unités (le joule, le kelvin), les états de la matière et les changements d'état (collège).
1Je découvre
Il est six heures du matin à Mamou, en pleine saison de l'harmattan. Kadiatou met une marmite d'eau sur le foyer pour préparer la bouillie. Elle touche le manche métallique de la marmite : il est déjà chaud, alors que la flamme ne le touche pas. Elle place la main au-dessus de la marmite : un courant d'air chaud monte. Et, assise à côté du feu, elle sent la chaleur sur son visage, même à un mètre des braises.
Son frère Alpha plonge un thermomètre dans l'eau : 22 °C au départ, puis la température monte, monte… et reste bloquée à un peu moins de 100 °C, même si on rajoute du bois. « L'eau reçoit toujours de la chaleur, pourtant sa température ne bouge plus ! », s'étonne Alpha.
Kadiatou et Alpha se posent une question que beaucoup de gens confondent : « chaud », « chaleur », « température »… est-ce la même chose ?
Qu'est-ce que la chaleur, en quoi est-elle différente de la température, comment se propage-t-elle et comment la calculer ?
2Je comprends
1. Température et chaleur : deux notions différentes
La matière est formée de particules (atomes, molécules) en agitation désordonnée permanente : c'est l'agitation thermique.
- La température d'un corps traduit le degré d'agitation de ses particules. Plus elles s'agitent, plus la température est élevée. C'est une grandeur repérée avec un thermomètre.
- La chaleur (ou quantité de chaleur, notée Q) est une énergie qui passe d'un corps à un autre à cause d'une différence de température. C'est une énergie en transfert : elle s'exprime en joules (J).
La chaleur passe spontanément du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jusqu'à ce que les deux aient la même température : c'est l'équilibre thermique.
- mesure l'agitation des particules
- se repère avec un thermomètre
- unités : °C, K, °F
- ne dépend pas de la quantité de matière
- énergie qui passe d'un corps à un autre
- se calcule (ou se mesure avec un calorimètre)
- unité : joule (J)
- dépend de la masse chauffée
Exemple : un seau d'eau à 40 °C et une tasse d'eau à 40 °C ont la même température, mais il faut beaucoup plus de chaleur pour chauffer le seau de 20 °C à 40 °C que pour chauffer la tasse.
2. Les échelles de température
Échelle Celsius (°C). On attribue la valeur 0 °C à la glace fondante et la valeur 100 °C à l'eau bouillante, sous la pression atmosphérique normale. L'intervalle est partagé en 100 degrés.
Échelle Kelvin (K) ou échelle absolue. C'est l'échelle du Système international. Son zéro, le zéro absolu (0 K = -273,15 °C), correspond à la température la plus basse possible, où l'agitation thermique serait minimale. Un écart de 1 K est égal à un écart de 1 °C :
T (K) = θ (°C) + 273,15 (on arrondit souvent à 273).
Échelle Fahrenheit (°F). Utilisée dans quelques pays. La glace fond à 32 °F et l'eau bout à 212 °F :
θF = 1,8 θC + 32 et θC = θF - 321,8.
Exemple
La température normale du corps humain est d'environ 37 °C. L'exprimer en kelvins et en degrés Fahrenheit.
T = 37 + 273,15 = 310,15 K.
θF = 1,8 × 37 + 32 = 66,6 + 32 = 98,6 °F.
Remarque : l'eau ne bout à 100 °C que sous la pression normale. En altitude, par exemple sur les hauteurs du Fouta-Djallon, la pression est plus faible et l'eau bout un peu en dessous de 100 °C. C'est ce qu'a observé Alpha.
3. Les trois modes de transfert de la chaleur
La conduction. La chaleur se propage de proche en proche dans la matière, sans déplacement de matière : les particules chaudes, très agitées, transmettent leur agitation à leurs voisines. C'est ce qui chauffe le manche de la marmite. Les métaux sont de bons conducteurs de la chaleur ; le bois, l'air, la paille, le plastique, la laine sont des isolants thermiques. C'est pourquoi les ustensiles ont souvent des manches en bois, et pourquoi le toit de chaume d'une case garde l'intérieur plus frais qu'un toit de tôle.
La convection. Dans un liquide ou un gaz, la partie chauffée devient moins dense et monte, la partie froide descend : il se forme des courants de convection qui transportent la chaleur avec déplacement de matière. C'est ainsi que toute l'eau de la marmite se réchauffe, que l'air chaud monte au-dessus du foyer, et que naissent les brises de mer sur la côte guinéenne.
Le rayonnement. La chaleur est transportée par des ondes (rayonnement infrarouge), sans support matériel : elle traverse même le vide. C'est ainsi que l'énergie du Soleil arrive sur Terre, et que Kadiatou sent la chaleur des braises sur son visage. Les surfaces sombres absorbent davantage le rayonnement que les surfaces claires : on porte des vêtements clairs en saison sèche.
- conduction (dans la matière, sans déplacement)
- convection (fluide en mouvement)
- rayonnement (ondes, même dans le vide)
- manche de la marmite qui chauffe
- eau de la marmite, air chaud qui monte
- chaleur du Soleil et des braises
4. Les effets de la chaleur
Quand un corps reçoit de la chaleur, trois effets sont possibles :
- sa température augmente (l'eau passe de 22 °C à 80 °C) ;
- il change d'état (fusion de la glace, vaporisation de l'eau, fusion du beurre de karité). Pendant un changement d'état d'un corps pur, la température reste constante : toute la chaleur reçue sert à changer d'état. C'est ce qu'observe Alpha pendant l'ébullition ;
- il se dilate : son volume augmente (étudié dans la leçon suivante).
Quand un corps cède de la chaleur, les effets inverses se produisent (refroidissement, solidification, condensation, contraction).
5. Calculer une quantité de chaleur
L'expérience montre que la quantité de chaleur nécessaire pour faire varier la température d'un corps, sans changement d'état, est proportionnelle à sa masse et à la variation de température :
Q = m × c × (θf - θi)
- Q : quantité de chaleur, en joules (J) ;
- m : masse, en kilogrammes (kg) ;
- c : capacité thermique massique (ou chaleur massique) du corps, en J/(kg·°C) ou J/(kg·K) ; c'est la chaleur qu'il faut fournir à 1 kg du corps pour élever sa température de 1 °C ;
- θi et θf : températures initiale et finale.
Signe. Si θf > θi, Q > 0 : le corps reçoit de la chaleur. Si θf < θi, Q < 0 : le corps cède de la chaleur.
Le produit C = m × c est la capacité thermique du corps, en J/°C.
L'eau a une capacité thermique massique très élevée : elle se réchauffe et se refroidit lentement. C'est pourquoi l'eau du canari reste fraîche longtemps et pourquoi les régions côtières ont des températures moins extrêmes que l'intérieur du pays.
Une ancienne unité, la calorie (cal), est encore rencontrée : 1 cal ≈ 4,18 J.
Méthode
Pour calculer une quantité de chaleur :
- Je vérifie qu'il n'y a pas de changement d'état entre θi et θf.
- Je convertis la masse en kg (1 L d'eau a une masse de 1 kg).
- Je repère la capacité thermique massique c donnée par l'énoncé.
- Je calcule Δθ = θf − θi (avec son signe).
- J'applique Q = m × c × Δθ et j'interprète le signe : reçue si Q > 0, cédée si Q < 0.
Exemple
Kadiatou chauffe 2 L d'eau de 25 °C à 100 °C (c = 4 180 J/(kg·°C)). Quelle quantité de chaleur l'eau reçoit-elle ?
m = 2 kg ; Δθ = 100 − 25 = 75 °C.
Q = 2 × 4 180 × 75 = 627 000 J = 627 kJ.
Exemple
Une marmite en aluminium de 0,5 kg (c = 900 J/(kg·°C)) passe aussi de 25 °C à 100 °C. Quelle chaleur reçoit-elle ? Comparer avec l'eau.
Q = 0,5 × 900 × 75 = 33 750 J ≈ 34 kJ.
La marmite absorbe environ 18 fois moins de chaleur que l'eau (627 000 / 33 750 ≈ 18,6) : presque toute l'énergie sert à chauffer l'eau.
3Je retiens
Je retiens
La température mesure l'agitation des particules ; la chaleur est une énergie transférée à cause d'une différence de température (unité : le joule).
La chaleur passe spontanément du corps chaud vers le corps froid, jusqu'à l'équilibre thermique.
T (K) = θ (°C) + 273,15 ; θF = 1,8 θC + 32.
Trois modes de transfert : conduction (dans la matière), convection (fluides en mouvement), rayonnement (ondes, même dans le vide).
Effets de la chaleur : élévation de température, changement d'état (à température constante), dilatation.
Sans changement d'état : Q = m × c × (θf − θi) ; Q > 0 reçue, Q < 0 cédée. Pour l'eau, c ≈ 4 180 J/(kg·°C).
4Erreurs fréquentes
- Confondre chaleur et température : deux corps à la même température peuvent échanger des quantités de chaleur très différentes selon leur masse.
- Croire que la température monte toujours quand on chauffe : pendant un changement d'état, elle reste constante.
- Oublier de convertir la masse en kilogrammes : 500 g = 0,5 kg.
- Ajouter 273 pour convertir une variation de température : un écart de 20 °C est un écart de 20 K, pas de 293 K.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Convertis :
a) 25 °C en kelvins ;
b) 300 K en degrés Celsius ;
c) 104 °F en degrés Celsius ;
d) Pour quelle température les échelles Celsius et Fahrenheit donnent-elles le même nombre ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) T = 25 + 273,15 = 298,15 K.
b) θ = 300 - 273,15 = 26,85 °C.
c) θC = 104 - 321,8 = 721,8 = 40 °C.
d) On cherche θ tel que θ = 1,8 θ + 32, soit -0,8 θ = 32, donc θ = -40. -40 °C = -40 °F.
2Exercice 2
Indique le mode de transfert de la chaleur principal dans chaque cas.
a) Le Soleil réchauffe la tôle d'un toit.
b) La cuillère en fer laissée dans une sauce bouillante devient brûlante.
c) L'air chaud d'une pièce s'accumule près du plafond.
d) On se réchauffe les mains devant un feu de bois, sans le toucher.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) rayonnement ; b) conduction ; c) convection ; d) rayonnement.
3Exercice 3
On donne ceau = 4 180 J/(kg·°C) et cfer = 450 J/(kg·°C).
a) Calcule la chaleur reçue par 5 kg d'eau qui passent de 20 °C à 45 °C.
b) Un morceau de fer de 2 kg se refroidit de 200 °C à 50 °C. Calcule Q et interprète son signe.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Q = 5 × 4 180 × (45 - 20) = 5 × 4 180 × 25 = 522 500 J, soit environ 523 kJ.
b) Q = 2 × 450 × (50 - 200) = 2 × 450 × (-150) = -135 000 J. Q < 0 : le fer cède 135 kJ de chaleur au milieu extérieur.
4Exercice 4
On fournit 83 600 J à 1 kg d'eau initialement à 20 °C, sans changement d'état. Quelle est sa température finale ? (ceau = 4 180 J/(kg·°C))
Voir le corrigéCacher le corrigé
Δθ = Qm c = 83 6001 × 4 180 = 20 °C, donc θf = 20 + 20 = 40 °C.
5Exercice 5
(Type examen) Un réchaud électrique fournit à l'eau d'une casserole 1 500 J chaque seconde. On y chauffe 3 L d'eau de 20 °C à 100 °C. On néglige les pertes et la chaleur absorbée par la casserole. (ceau = 4 180 J/(kg·°C))
a) Calcule la quantité de chaleur reçue par l'eau.
b) Calcule la durée du chauffage, en secondes puis en minutes et secondes.
c) Une fois l'ébullition atteinte, on continue à chauffer. Qu'observe-t-on pour la température ? Où passe l'énergie reçue ?
d) Explique pourquoi, en réalité, la durée est plus longue que celle calculée.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) m = 3 kg ; Q = 3 × 4 180 × (100 - 20) = 3 × 4 180 × 80 = 1 003 200 J, soit environ 1,0 × 106 J.
b) t = 1 003 2001 500 = 668,8 s. Comme 668,8 = 11 × 60 + 8,8, cela fait environ 11 min 9 s.
c) La température reste constante (100 °C sous la pression normale) pendant toute l'ébullition. L'énergie reçue sert à transformer l'eau liquide en vapeur (changement d'état).
d) Une partie de la chaleur sert à chauffer la casserole, et une autre partie est perdue vers l'air ambiant (convection, rayonnement). L'eau reçoit donc moins de 1 500 J par seconde, et le chauffage dure plus longtemps.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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