Thermique

Chaleur, température et changements d'état

sciences · Durée indicative : 6 h

Utiliser les échelles Celsius et Kelvin, choisir un capteur de température adapté (Pt100, thermocouple, infrarouge) et distinguer chaleur et température : la chaleur est un transfert d'énergie en joules entre deux corps de températures différentes, qui évoluent vers l'équilibre thermique. Vérifier qu'un changement d'état se fait à température constante et calculer l'énergie mise en jeu avec Q = m × L.

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.
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

CapteurPrincipeUsage typique
Thermomètre à résistance de platine (Pt100)La résistance électrique du platine augmente avec la températureMesure précise (bains photo, industrie)
ThermistanceRésistance qui varie fortement avec la températureÉlectroménager, imprimante 3D
ThermocoupleTension électrique créée par deux métaux soudés à températures différentesHautes températures (four, presse à chaud)
Thermomètre infrarougeMesure le rayonnement émis par l'objet, sans contactSurface chaude, objet fragile ou en mouvement
Thermomètre à cristaux liquidesChangement de couleur avec la températureIndicateur 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.

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.
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.
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

Courbe de chauffage de la glace avec le palier de fusion à 0 °C
En chauffant de la glace, la température monte… puis reste bloquée à 0 °C pendant toute la fusion : c'est le palier de changement 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.
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.
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).
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.
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.

Exercices d'entraînement