📘 Fiche de cours
L'essentiel du cours
Lors d'un transfert thermique, de l'énergie est transférée d'un corps chaud vers un corps froid jusqu'à l'atteinte de l'équilibre thermique (températures égales).
1. La chaleur ($Q$) : La quantité de chaleur $Q$ échangée par un corps de masse $m$ dont la température varie de $T_i$ à $T_f$ est donnée par : $$Q = m \cdot c \cdot (T_f - T_i)$$ Où :
- $Q$ est la chaleur en Joules ($J$).
- $m$ est la masse en kilogrammes ($kg$).
- $c$ est la capacité thermique massique en $J \cdot kg^{-1} \cdot K^{-1}$ (ou $J \cdot kg^{-1} \cdot ^\circ C^{-1}$).
- $T_i$ et $T_f$ sont les températures initiale et finale en $^\circ C$ ou en $K$.
2. Capacité thermique ($C$) : Elle représente la capacité d'un corps à absorber la chaleur : $$C = m \cdot c$$ L'unité est le Joule par Kelvin ($J \cdot K^{-1}$). On a alors $Q = C \cdot \Delta T$.
3. Principe de conservation : Dans un système isolé (sans échange avec l'extérieur), la somme des chaleurs échangées est nulle : $$\sum Q = 0 \implies Q_1 + Q_2 + ... = 0$$
Méthodes à maîtriser
- Calculer une variation de température : Isoler $\Delta T$ dans la formule $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$.
- Déterminer la température finale d'un mélange : Utiliser $\sum Q = 0$. Si on mélange un corps 1 et un corps 2 : $$m_1 c_1 (T_f - T_1) + m_2 c_2 (T_f - T_2) = 0$$
- Identifier le sens du transfert :
- Si $Q > 0$ : Le corps reçoit de la chaleur (échauffement).
- Si $Q < 0$ : Le corps perd de la chaleur (refroidissement).
Exemples corrigés
Exemple 1 : Calculer la chaleur nécessaire pour chauffer $0,5\text{ kg}$ d'eau de $20^\circ\text{C}$ à $80^\circ\text{C}$. (Donnée : $c_{eau} = 4180\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$). Solution :
- On identifie les données : $m = 0,5\text{ kg}$, $c = 4180$, $T_i = 20$, $T_f = 80$.
- Application de la formule : $Q = 0,5 \times 4180 \times (80 - 20)$.
- Calcul : $Q = 0,5 \times 4180 \times 60 = 125,400\text{ J}$.
Exemple 2 : Un bloc de fer de $2\text{ kg}$ à $100^\circ\text{C}$ est plongé dans $1\text{ kg}$ d'eau à $20^\circ\text{C}$. Quelle est la température finale $T_f$ ? (Données : $c_{fer} = 450$, $c_{eau} = 4180$). Solution :
- Équation de conservation : $Q_{fer} + Q_{eau} = 0$.
- $m_f c_f (T_f - T_f^{fer}) + m_e c_e (T_f - T_e) = 0$.
- $2 \times 450 \times (T_f - 100) + 1 \times 4180 \times (T_f - 20) = 0$.
- $900 T_f - 90,000 + 4180 T_f - 83,600 = 0$.
- $5080 T_f = 173,600 \implies T_f \approx 34,17^\circ\text{C}$.
Erreurs fréquentes
- Oublier les unités : Convertir la masse en $kg$ (et non en $g$) avant de calculer.
- Erreur de signe : Inverser $T_i$ et $T_f$ dans le calcul de $\Delta T$.
- Confusion $c$ et $C$ : Ne pas confondre la capacité thermique massique ($c$) et la capacité thermique ($C$).
- Oublier la conservation : Ne pas écrire $\sum Q = 0$ lors d'un mélange.