Physique-Chimie · 1ère Année Bac — Sciences Expérimentales

Transfert thermique

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

1. Notion de transfert thermique Un transfert thermique est un échange d'énergie thermique entre deux corps (ou un corps et son milieu extérieur) en raison d'une différence de température. La chaleur circule toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid.

2. Équilibre thermique Lorsque deux corps en contact atteignent la même température, on dit qu'ils sont en équilibre thermique. À ce stade, le transfert thermique s'arrête.

3. Quantité de chaleur ( $Q$ ) La quantité de chaleur reçue ou cédée par un corps de masse $m$ est donnée par la relation : $Q = m \cdot c \cdot (T_f - T_i)$ Où :

$Q$ : quantité de chaleur en Joules (J).
$m$ : masse du corps en kilogrammes (kg).
$c$ : capacité thermique massique en $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ (ou $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot^\circ\text{C}^{-1}$ ).
$T_i$ : température initiale en $^\circ\text{C}$ ou K.
$T_f$ : température finale en $^\circ\text{C}$ ou K.

Convention de signe :

Si $Q > 0$ : le corps reçoit de la chaleur (augmentation de température).
Si $Q < 0$ : le corps cède de la chaleur (diminution de température).

Méthodes à maîtriser

Calculer une variation de température : $\Delta T = T_f - T_i$ .
Calculer la quantité de chaleur : Appliquer directement la formule $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$ .
Déterminer la capacité thermique massique $c$ : Isoler $c$ dans la formule : $c = \frac{Q}{m \cdot (T_f - T_i)}$ .
Principe de la calorimétrie (système isolé) : Dans un calorimètre (système isolé), la somme des quantités de chaleur échangées est nulle : $\sum Q = 0 \implies Q_{\text{reçu}} + Q_{\text{cédé}} = 0$

Exemples corrigés

Exemple : On chauffe $0,5\text{ kg}$ d'eau de $20^\circ\text{C}$ à $60^\circ\text{C}$ . Calculer la quantité de chaleur nécessaire. (Donnée : $c_{\text{eau}} = 4180\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ ).

Corrigé :

Identification des données : $m = 0,5\text{ kg}$ , $T_i = 20^\circ\text{C}$ , $T_f = 60^\circ\text{C}$ , $c = 4180\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ .
Calcul de la variation de température : $\Delta T = 60 - 20 = 40^\circ\text{C}$ .
Application de la formule : $Q = 0,5 \times 4180 \times 40$ $Q = 83600\text{ J}$ La quantité de chaleur est de $83600\text{ J}$ .

Erreurs fréquentes

Oublier de convertir la masse en kg : Si l'énoncé donne des grammes (g), il faut diviser par $1000$ .
Confusion de signe : Si l'objet refroidit, $T_f < T_i$ , donc $Q$ doit être négatif.
Confusion entre $c$ et $C$ : $c$ est la capacité thermique massique (par kg), $C$ est la capacité thermique (pour tout l'objet).

L'essentiel du cours

2. Équilibre thermique Lorsque deux corps en contact atteignent la même température, on dit qu'ils sont en équilibre thermique. À ce stade, le transfert thermique s'arrête.

3. Quantité de chaleur ($Q$) La quantité de chaleur reçue ou cédée par un corps de masse $m$ est donnée par la relation : $$Q = m \cdot c \cdot (T_f - T_i)$$ Où :

$Q$ : quantité de chaleur en Joules (J).
$m$ : masse du corps en kilogrammes (kg).
$c$ : capacité thermique massique en $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ (ou $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot^\circ\text{C}^{-1}$).
$T_i$ : température initiale en $^\circ\text{C}$ ou K.
$T_f$ : température finale en $^\circ\text{C}$ ou K.

Convention de signe :

Si $Q > 0$ : le corps reçoit de la chaleur (augmentation de température).
Si $Q < 0$ : le corps cède de la chaleur (diminution de température).

Méthodes à maîtriser

Calculer une variation de température : $\Delta T = T_f - T_i$.
Calculer la quantité de chaleur : Appliquer directement la formule $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$.
Déterminer la capacité thermique massique $c$ : Isoler $c$ dans la formule : $c = \frac{Q}{m \cdot (T_f - T_i)}$.
Principe de la calorimétrie (système isolé) : Dans un calorimètre (système isolé), la somme des quantités de chaleur échangées est nulle : $$\sum Q = 0 \implies Q_{\text{reçu}} + Q_{\text{cédé}} = 0$$

Exemples corrigés

Exemple : On chauffe $0,5\text{ kg}$ d'eau de $20^\circ\text{C}$ à $60^\circ\text{C}$. Calculer la quantité de chaleur nécessaire. (Donnée : $c_{\text{eau}} = 4180\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$).

Corrigé :

Identification des données : $m = 0,5\text{ kg}$, $T_i = 20^\circ\text{C}$, $T_f = 60^\circ\text{C}$, $c = 4180\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$.
Calcul de la variation de température : $\Delta T = 60 - 20 = 40^\circ\text{C}$.
Application de la formule : $$Q = 0,5 \times 4180 \times 40$$ $$Q = 83600\text{ J}$$ La quantité de chaleur est de $83600\text{ J}$.

Erreurs fréquentes

Oublier de convertir la masse en kg : Si l'énoncé donne des grammes (g), il faut diviser par $1000$.
Confusion de signe : Si l'objet refroidit, $T_f < T_i$, donc $Q$ doit être négatif.
Confusion entre $c$ et $C$ : $c$ est la capacité thermique massique (par kg), $C$ est la capacité thermique (pour tout l'objet).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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🎯 Transfert thermique

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Quelle est l'unité de la quantité de chaleur $Q$ ?

❓ Questions fréquentes

Quelle est l'unité de la capacité thermique massique c dans le système international ?

L'unité est le Joule par kilogramme par Kelvin ( $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ ) ou par degré Celsius ( $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot^\circ\text{C}^{-1}$ ).

💡 À retenir : Les deux unités sont équivalentes pour les variations de température.

L'unité est le Joule par kilogramme par Kelvin ($\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$) ou par degré Celsius ($\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot^\circ\text{C}^{-1}$).

💡 À retenir : Les deux unités sont équivalentes pour les variations de température.

Chno l'farq bin l'chaleur w l'température?

La température est une mesure de l'état thermique d'un corps (si c'est chaud ou froid), tandis que la chaleur est l'énergie qui circule entre deux corps à cause de cette différence de température.

💡 À retenir : La température est une grandeur d'état, la chaleur est une grandeur de transfert.

Kifach n7seb c ila 3titini Q, m w Delta T?

Il suffit d'utiliser la formule de la quantité de chaleur et de l'isoler :

Écris la formule : $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$ .
Divise les deux côtés par $(m \cdot \Delta T)$ .
On obtient : $c = \frac{Q}{m \cdot \Delta T}$ .

💡 À retenir : Vérifie bien que $m$ est en kg et $\Delta T$ en $^\circ\text{C}$ ou K.

Il suffit d'utiliser la formule de la quantité de chaleur et de l'isoler :

Écris la formule : $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$.
Divise les deux côtés par $(m \cdot \Delta T)$.
On obtient : $c = \frac{Q}{m \cdot \Delta T}$.

💡 À retenir : Vérifie bien que $m$ est en kg et $\Delta T$ en $^\circ\text{C}$ ou K.

Chno l'ma3na dyal l'équilibre thermique?

L'équilibre thermique (équilibre thermique) est l'état atteint quand deux corps en contact ont la même température. À ce moment-là, il n'y a plus de transfert de chaleur entre eux.

💡 À retenir : À l'équilibre, $\Delta T = 0$ et $Q = 0$ .

L'équilibre thermique (équilibre thermique) est l'état atteint quand deux corps en contact ont la même température. À ce moment-là, il n'y a plus de transfert de chaleur entre eux.

💡 À retenir : À l'équilibre, $\Delta T = 0$ et $Q = 0$.

Si un corps perd de la chaleur, le signe de Q est-il positif ou négatif ?

Le signe de $Q$ est négatif ( $Q < 0$ ). Cela signifie que l'énergie thermique est cédée au milieu extérieur.

💡 À retenir : Perte de chaleur $\implies Q < 0$ ; Gain de chaleur $\implies Q > 0$ .

Le signe de $Q$ est négatif ($Q < 0$). Cela signifie que l'énergie thermique est cédée au milieu extérieur.

💡 À retenir : Perte de chaleur $\implies Q < 0$ ; Gain de chaleur $\implies Q > 0$.

Pourquoi la chaleur va-t-elle toujours du chaud vers le froid ?

C'est une loi de la nature liée à l'augmentation de l'entropie. L'énergie cherche à se répartir de manière uniforme jusqu'à atteindre l'équilibre thermique.

💡 À retenir : Le flux thermique est dirigé du haut potentiel thermique vers le bas potentiel thermique.

Peut-on calculer la chaleur sans connaître la masse ?

Non, la quantité de chaleur $Q$ dépend directement de la masse $m$ . Plus la masse est grande, plus il faut d'énergie pour changer sa température.

💡 À retenir : $Q$ est proportionnel à $m$ .

Non, la quantité de chaleur $Q$ dépend directement de la masse $m$. Plus la masse est grande, plus il faut d'énergie pour changer sa température.

💡 À retenir : $Q$ est proportionnel à $m$.

Quelle est la différence entre T en Celsius et T en Kelvin ?

La différence est une constante : $T(\text{K}) = T(^\circ\text{C}) + 273,15$ . Cependant, pour une variation $\Delta T$ , la valeur est la même en Celsius et en Kelvin.

💡 À retenir : $\Delta T(^\circ\text{C}) = \Delta T(\text{K})$ .

La différence est une constante : $T(\text{K}) = T(^\circ\text{C}) + 273,15$. Cependant, pour une variation $\Delta T$, la valeur est la même en Celsius et en Kelvin.

💡 À retenir : $\Delta T(^\circ\text{C}) = \Delta T(\text{K})$.

Si c est très grand pour un matériau, est-il facile ou difficile de le chauffer ?

Il est difficile de le chauffer. Une grande capacité thermique massique signifie que le matériau peut absorber beaucoup d'énergie sans que sa température n'augmente beaucoup.

💡 À retenir : L'eau a un $c$ élevé, c'est pourquoi elle est utilisée pour le refroidissement.

Il est difficile de le chauffer. Une grande capacité thermique massique signifie que le matériau peut absorber beaucoup d'énergie sans que sa température n'augmente beaucoup.

💡 À retenir : L'eau a un $c$ élevé, c'est pourquoi elle est utilisée pour le refroidissement.

Que signifie sum Q = 0 ?

Cela signifie que dans un système parfaitement isolé, toute l'énergie perdue par un corps est intégralement gagnée par l'autre. Rien ne s'échappe vers l'extérieur.

💡 À retenir : C'est le principe fondamental de la calorimétrie.

Quelle est l'unité de la température dans le Système International (SI) ?

L'unité officielle est le Kelvin (K).

💡 À retenir : $0\text{ K}$ correspond au zéro absolu.

L'unité officielle est le Kelvin (K).

💡 À retenir : $0\text{ K}$ correspond au zéro absolu.

Si je mélange de l'eau à 80^circtext{C} et de l'eau à 20^circtext{C}, quelle sera la température finale ?

La température finale sera comprise entre $20^\circ\text{C}$ et $80^\circ\text{C}$ . Si les masses sont égales, elle sera exactement de $50^\circ\text{C}$ .

💡 À retenir : La température finale dépend des masses et des capacités thermiques.

La température finale sera comprise entre $20^\circ\text{C}$ et $80^\circ\text{C}$. Si les masses sont égales, elle sera exactement de $50^\circ\text{C}$.

💡 À retenir : La température finale dépend des masses et des capacités thermiques.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Exercice 1 (Niveau Facile) : Un bloc d'aluminium de masse $m = 2\text{ kg}$ est chauffé. Sa température passe de $25^\circ\text{C}$ à $125^\circ\text{C}$ . Calculer la quantité de chaleur $Q$ reçue par le bloc. (Donnée : $c_{\text{Al}} = 900\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ ).

Exercice 2 (Niveau Moyen) : On souhaite chauffer $0,2\text{ kg}$ d'un liquide inconnu. On lui fournit une quantité de chaleur $Q = 4500\text{ J}$ , ce qui fait passer sa température de $15^\circ\text{C}$ à $40^\circ\text{C}$ . Déterminer la capacité thermique massique $c$ de ce liquide.

Exercice 3 (Niveau Examen National) : Dans un calorimètre (considéré comme parfaitement isolé) contenant $0,5\text{ kg}$ d'eau à $T_1 = 20^\circ\text{C}$ , on introduit un bloc de cuivre de masse $m_c = 0,2\text{ kg}$ dont la température est $T_2 = 100^\circ\text{C}$ .

Calculer la quantité de chaleur $Q_{\text{eau}}$ cédée par l'eau si la température finale d'équilibre est $T_f = 22^\circ\text{C}$ .
Calculer la quantité de chaleur $Q_{\text{cuivre}}$ reçue par le cuivre.
En déduire la capacité thermique massique $c_{\text{cuivre}}$ du cuivre. (Données : $c_{\text{eau}} = 4180\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ ).

Exercice 1

Exercice 1 (Niveau Facile) : Un bloc d'aluminium de masse $m = 2\text{ kg}$ est chauffé. Sa température passe de $25^\circ\text{C}$ à $125^\circ\text{C}$. Calculer la quantité de chaleur $Q$ reçue par le bloc. (Donnée : $c_{\text{Al}} = 900\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$).

Exercice 2 (Niveau Moyen) : On souhaite chauffer $0,2\text{ kg}$ d'un liquide inconnu. On lui fournit une quantité de chaleur $Q = 4500\text{ J}$, ce qui fait passer sa température de $15^\circ\text{C}$ à $40^\circ\text{C}$. Déterminer la capacité thermique massique $c$ de ce liquide.

Exercice 3 (Niveau Examen National) : Dans un calorimètre (considéré comme parfaitement isolé) contenant $0,5\text{ kg}$ d'eau à $T_1 = 20^\circ\text{C}$, on introduit un bloc de cuivre de masse $m_c = 0,2\text{ kg}$ dont la température est $T_2 = 100^\circ\text{C}$.

Calculer la quantité de chaleur $Q_{\text{eau}}$ cédée par l'eau si la température finale d'équilibre est $T_f = 22^\circ\text{C}$.
Calculer la quantité de chaleur $Q_{\text{cuivre}}$ reçue par le cuivre.
En déduire la capacité thermique massique $c_{\text{cuivre}}$ du cuivre. (Données : $c_{\text{eau}} = 4180\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$).

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