Chapitre 4 | Première STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
Durée : 1 h — Barème : /20 — Calculatrice autorisée
Les réponses doivent être justifiées. Le soin, les unités et le nombre de chiffres significatifs sont notés.
Données : \(c_{eau}=4185\) J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\) ; \(c_{acier}=450\) J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\) ; \(L_f^{eau}=3{,}34\times10^{5}\) J·kg\(^{-1}\) ; \(1\ \text{L}\) d'eau \(=1\) kg.
1. Qu'est-ce que la température d'un corps traduit au niveau microscopique ? (1 pt)
2. Convertir : (a) \(\theta=37\) °C en kelvin ; (b) \(T=273{,}15\) K en degré Celsius. (2 pts)
3. Nommer les trois modes de transfert thermique et donner un exemple pour chacun. (3 pts)
1. La température traduit l'agitation des constituants microscopiques (atomes, molécules) : plus ils s'agitent, plus la température est élevée. (1 pt)
2. (a) \(T=37+273{,}15=310{,}15\ \text{K}\approx310\ \text{K}\) ; (b) \(\theta=273{,}15-273{,}15=0\ \text{°C}\) (glace fondante). (1 pt chacun)
3. Conduction (ex. : manche métallique d'une casserole qui chauffe) ; convection (ex. : air chaud d'un radiateur qui circule) ; rayonnement (ex. : chaleur du Soleil ou d'un feu reçue à distance). (1 pt chacun)
Pour préparer une boisson, on part de \(m=0{,}30\) kg de glace à 0 °C que l'on veut transformer en eau liquide à 80 °C.
1. Première étape : faire fondre la glace à 0 °C. Calculer l'énergie \(Q_1=mL_f\). (2 pts)
2. Pendant la fusion, la température varie-t-elle ? Justifier à l'aide de la notion de palier. (1,5 pt)
3. Deuxième étape : chauffer l'eau liquide de 0 °C à 80 °C. Calculer \(\Delta T\) puis \(Q_2=mc\Delta T\). (2,5 pts)
4. En déduire l'énergie totale \(Q=Q_1+Q_2\). (2 pts)
1. \(Q_1=mL_f=0{,}30\times3{,}34\times10^{5}=1{,}00\times10^{5}\ \text{J}=100\ \text{kJ}\).
2. Non, la température reste constante à 0 °C pendant toute la fusion : c'est un palier. L'énergie sert à défaire les liaisons du solide, pas à augmenter l'agitation (donc pas la température).
3. \(\Delta T=80-0=80\) K. \(Q_2=mc\Delta T=0{,}30\times4185\times80=1{,}00\times10^{5}\ \text{J}\approx100\ \text{kJ}\).
4. \(Q=Q_1+Q_2=1{,}00\times10^{5}+1{,}00\times10^{5}=2{,}0\times10^{5}\ \text{J}=200\ \text{kJ}\).
Pour tremper une pièce, un forgeron plonge un bloc d'acier chaud à \(\theta_1=300\) °C dans un bac d'eau à \(\theta_2=20\) °C.
1. Dans quel sens se fait le transfert thermique ? Justifier. (1,5 pt)
2. Le bloc d'acier a une masse \(m=0{,}80\) kg. Calculer l'énergie \(Q\) cédée par l'acier lorsqu'il refroidit jusqu'à 40 °C. Préciser le signe et son sens physique. (3 pts)
3. Comment appelle-t-on l'état atteint quand l'acier et l'eau sont à la même température ? (1,5 pt)
1. Le transfert va de l'acier chaud (300 °C) vers l'eau froide (20 °C) : le transfert thermique spontané se fait toujours du corps chaud vers le corps froid.
2. \(\Delta T=40-300=-260\) K. \(Q=mc\Delta T=0{,}80\times450\times(-260)=-9{,}36\times10^{4}\ \text{J}\approx-94\ \text{kJ}\). Le signe négatif montre que l'acier cède environ 94 kJ à l'eau en refroidissant.
3. C'est l'équilibre thermique : les deux corps sont à la même température et le transfert s'arrête.