1. Les échelles de température
Définitions.
La température caractérise l'état thermique d'un corps. Deux échelles à connaître :
• l'échelle Celsius (°C) : 0 °C = glace fondante, 100 °C = eau bouillante (conditions usuelles) ;
• l'échelle Kelvin (K) : l'échelle officielle du système international. Son zéro (−273,15 °C) est la température la plus basse possible.
Conversion : T(K) = t(°C) + 273,15. Une variation de 1 °C est égale à une variation de 1 K.
La température caractérise l'état thermique d'un corps. Deux échelles à connaître :
• l'échelle Celsius (°C) : 0 °C = glace fondante, 100 °C = eau bouillante (conditions usuelles) ;
• l'échelle Kelvin (K) : l'échelle officielle du système international. Son zéro (−273,15 °C) est la température la plus basse possible.
Conversion : T(K) = t(°C) + 273,15. Une variation de 1 °C est égale à une variation de 1 K.
Exemple. Le bain de développement d'un labo photo est régulé à 20 °C : T = 20 + 273,15 ≈ 293 K. Inversement, 310 K correspondent à 310 − 273,15 ≈ 37 °C.
2. Mesurer une température : les capteurs
| Capteur | Principe | Usage typique |
|---|---|---|
| Thermomètre à résistance de platine (Pt100) | La résistance électrique du platine augmente avec la température | Mesure précise (bains photo, industrie) |
| Thermistance | Résistance qui varie fortement avec la température | Électroménager, imprimante 3D |
| Thermocouple | Tension électrique créée par deux métaux soudés à températures différentes | Hautes températures (four, presse à chaud) |
| Thermomètre infrarouge | Mesure le rayonnement émis par l'objet, sans contact | Surface chaude, objet fragile ou en mouvement |
| Thermomètre à cristaux liquides | Changement de couleur avec la température | Indicateur rapide (frigos, aquariums) |
Choisir un capteur.
On compare la plage de mesure, la précision, le temps de réponse et le besoin de contact ou non. Exemple : pour vérifier la surface d'une presse à chaud à 180 °C sans la toucher, on choisit le thermomètre infrarouge.
On compare la plage de mesure, la précision, le temps de réponse et le besoin de contact ou non. Exemple : pour vérifier la surface d'une presse à chaud à 180 °C sans la toucher, on choisit le thermomètre infrarouge.
3. Chaleur : un transfert d'énergie
Définitions.
• La chaleur est un mode de transfert d'énergie (transfert thermique) entre deux corps de températures différentes. Elle s'exprime en joule (J).
• Le transfert se fait toujours spontanément du corps chaud vers le corps froid.
• Élever la température d'un corps nécessite un apport d'énergie ; la diminuer nécessite une perte d'énergie.
• La chaleur est un mode de transfert d'énergie (transfert thermique) entre deux corps de températures différentes. Elle s'exprime en joule (J).
• Le transfert se fait toujours spontanément du corps chaud vers le corps froid.
• Élever la température d'un corps nécessite un apport d'énergie ; la diminuer nécessite une perte d'énergie.
Équilibre thermique.
Deux corps en contact échangent de la chaleur jusqu'à atteindre la même température : on dit qu'ils sont en équilibre thermique. Le transfert s'arrête alors.
Deux corps en contact échangent de la chaleur jusqu'à atteindre la même température : on dit qu'ils sont en équilibre thermique. Le transfert s'arrête alors.
Exemple. On plonge une cuve de révélateur à 24 °C dans un bac d'eau à 18 °C. La chaleur passe de la cuve (chaude) vers l'eau (froide) : la cuve se refroidit, l'eau se réchauffe, jusqu'à une température commune d'environ 20 °C — la température de travail du bain. Ne pas confondre : la température se mesure en °C ou K, la chaleur est une énergie en joules.
4. Les changements d'état
Vocabulaire.
• Fusion : solide → liquide ; solidification : liquide → solide.
• Vaporisation : liquide → gaz ; liquéfaction : gaz → liquide.
Fusion et vaporisation nécessitent un apport de chaleur ; solidification et liquéfaction dégagent de la chaleur.
• Fusion : solide → liquide ; solidification : liquide → solide.
• Vaporisation : liquide → gaz ; liquéfaction : gaz → liquide.
Fusion et vaporisation nécessitent un apport de chaleur ; solidification et liquéfaction dégagent de la chaleur.
Propriété essentielle (corps pur).
Lors d'un changement d'état, la température d'un corps pur ne varie pas : toute la chaleur fournie sert à changer l'état, pas à chauffer. Exemple : la glace fond à 0 °C constants tant qu'il reste de la glace.
Lors d'un changement d'état, la température d'un corps pur ne varie pas : toute la chaleur fournie sert à changer l'état, pas à chauffer. Exemple : la glace fond à 0 °C constants tant qu'il reste de la glace.
Énergie de changement d'état.
Q = m × L
• Q : énergie échangée en joules (J) ;
• m : masse du corps en kilogrammes (kg) ;
• L : énergie massique de changement d'état, fournie, en J/kg (propre à chaque corps pur et à chaque changement d'état).
Q = m × L
• Q : énergie échangée en joules (J) ;
• m : masse du corps en kilogrammes (kg) ;
• L : énergie massique de changement d'état, fournie, en J/kg (propre à chaque corps pur et à chaque changement d'état).
Exemple détaillé. Pour la glace, Lfusion = 330 000 J/kg (donné). Fondre m = 0,5 kg de glace d'un décor de vitrine demande :
Q = m × L = 0,5 × 330 000 = 165 000 J (165 kJ).
Autre cas : la colle d'un pistolet thermofusible fond vers 120 °C (apport de chaleur), puis se solidifie en refroidissant sur la maquette (dégagement de chaleur) : attention aux brûlures, port de gants adaptés.
Q = m × L = 0,5 × 330 000 = 165 000 J (165 kJ).
Autre cas : la colle d'un pistolet thermofusible fond vers 120 °C (apport de chaleur), puis se solidifie en refroidissant sur la maquette (dégagement de chaleur) : attention aux brûlures, port de gants adaptés.
À retenir.
• T(K) = t(°C) + 273,15 ; on choisit le capteur (Pt100, thermocouple, infrarouge) selon l'application.
• Chaleur = transfert d'énergie en joules, du chaud vers le froid, jusqu'à l'équilibre thermique.
• Changement d'état d'un corps pur : température constante ; Q = m × L.
• T(K) = t(°C) + 273,15 ; on choisit le capteur (Pt100, thermocouple, infrarouge) selon l'application.
• Chaleur = transfert d'énergie en joules, du chaud vers le froid, jusqu'à l'équilibre thermique.
• Changement d'état d'un corps pur : température constante ; Q = m × L.