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Exercices – Énergie interne et transferts thermiques

Chapitre 4 | Première STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Exercices progressifs corrigés. Données utiles : \(c_{eau}=4185\) J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\) ; \(c_{Al}=900\) ; \(c_{acier}=450\) ; \(c_{cuivre}=385\) J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\). Pour l'eau : \(L_f=3{,}34\times10^{5}\) J·kg\(^{-1}\), \(L_v=2{,}26\times10^{6}\) J·kg\(^{-1}\). On rappelle \(1\ \text{L}\) d'eau \(=1\) kg.

Exercice 1 — Conversions de température

Convertir : (a) \(\theta=25\) °C en kelvin ; (b) \(\theta=-18\) °C (congélateur) en kelvin ; (c) \(T=350\) K en degré Celsius ; (d) le zéro absolu \(T=0\) K en degré Celsius.

On utilise \(T(\text{K})=\theta(\text{°C})+273{,}15\).

(a) \(T=25+273{,}15=298{,}15\ \text{K}\approx298\ \text{K}\).
(b) \(T=-18+273{,}15=255{,}15\ \text{K}\approx255\ \text{K}\).
(c) \(\theta=350-273{,}15=76{,}85\ \text{°C}\approx77\ \text{°C}\).
(d) \(\theta=0-273{,}15=-273{,}15\ \text{°C}\).

Exercice 2 — Vrai / Faux sur l'énergie interne et la température

Indiquer si chaque affirmation est vraie ou fausse, et justifier :

  1. La température d'un corps mesure l'agitation de ses particules.
  2. Chaleur et température sont deux mots pour la même grandeur.
  3. L'énergie interne d'un corps augmente quand il refroidit.
  4. Une transformation exothermique libère de l'énergie.

1. Vrai : plus les particules s'agitent, plus la température est élevée.
2. Faux : la température est un état (agitation) ; la chaleur est un transfert d'énergie entre deux corps.
3. Faux : en refroidissant, l'agitation diminue, donc l'énergie interne diminue.
4. Vrai : « exothermique » signifie que le système cède (libère) de l'énergie vers l'extérieur.

Exercice 3 — Chauffer de l'eau (\(Q=mc\Delta T\))

On chauffe \(m=1{,}5\) kg d'eau de \(\theta_1=18\) °C à \(\theta_2=100\) °C.

(a) Calculer \(\Delta T\). (b) Calculer l'énergie \(Q\) à fournir. (c) L'eau reçoit-elle ou cède-t-elle de l'énergie ?

(a) \(\Delta T=100-18=82\) K.

(b) \(Q=mc\Delta T=1{,}5\times4185\times82=5{,}15\times10^{5}\ \text{J}\approx515\ \text{kJ}\).

(c) \(\Delta T\gt0\) donc \(Q\gt0\) : l'eau reçoit de l'énergie.

Exercice 4 — Comparer deux matériaux

On veut chauffer de 20 °C à 70 °C soit \(m=1{,}0\) kg d'eau, soit \(m=1{,}0\) kg d'aluminium.

(a) Calculer l'énergie nécessaire dans chaque cas. (b) Lequel demande le plus d'énergie ? Expliquer avec la valeur de \(c\).

\(\Delta T=70-20=50\) K.

(a) Eau : \(Q=1{,}0\times4185\times50=2{,}09\times10^{5}\ \text{J}\approx209\ \text{kJ}\).
Aluminium : \(Q=1{,}0\times900\times50=4{,}5\times10^{4}\ \text{J}=45\ \text{kJ}\).

(b) L'eau demande le plus d'énergie car sa capacité thermique massique (\(4185\)) est bien plus grande que celle de l'aluminium (\(900\)) : il faut plus d'énergie pour chauffer 1 kg d'eau de 1 K.

Exercice 5 — Changement d'état

(a) Quelle énergie faut-il pour faire fondre \(m=0{,}40\) kg de glace déjà à 0 °C ? (b) Quelle énergie faut-il pour vaporiser \(m=0{,}40\) kg d'eau déjà à 100 °C ? (c) Comparer et commenter.

(a) Fusion : \(Q=mL_f=0{,}40\times3{,}34\times10^{5}=1{,}34\times10^{5}\ \text{J}\approx134\ \text{kJ}\).

(b) Vaporisation : \(Q=mL_v=0{,}40\times2{,}26\times10^{6}=9{,}04\times10^{5}\ \text{J}\approx904\ \text{kJ}\).

(c) La vaporisation demande environ 7 fois plus d'énergie que la fusion (\(L_v\gt L_f\)) : séparer complètement les molécules pour former la vapeur coûte beaucoup plus que passer du solide au liquide.

Exercice 6 — Sens du transfert et équilibre

On plonge un bloc de cuivre à 90 °C dans un bécher d'eau à 20 °C.

(a) Dans quel sens l'énergie se transfère-t-elle ? (b) Comment évoluent les températures du cuivre et de l'eau ? (c) Que vaut, qualitativement, la température finale par rapport à 20 °C et 90 °C ?

(a) Le transfert va du cuivre chaud vers l'eau froide (chaud → froid).

(b) Le cuivre refroidit (il cède de l'énergie), l'eau se réchauffe (elle reçoit de l'énergie).

(c) À l'équilibre, cuivre et eau atteignent une même température finale, comprise entre 20 °C et 90 °C. (Proche de 20 °C si l'eau est en grande quantité, car sa capacité thermique est grande.)

Exercice 7 — Les trois modes de transfert

Pour chaque situation, nommer le mode de transfert thermique dominant (conduction, convection ou rayonnement) et justifier :

  1. La barre d'un fer à souder chauffe de son extrémité chaude vers la poignée.
  2. Un sèche-cheveux souffle de l'air chaud sur les cheveux.
  3. On se réchauffe les mains devant un poêle sans le toucher.
  4. Le radiateur chauffe l'air de la pièce qui monte au plafond.

1. Conduction : dans le métal solide, de proche en proche, sans déplacement de matière.
2. Convection : l'air chaud (fluide) se déplace vers les cheveux.
3. Rayonnement : la chaleur est reçue à distance, sans contact, par ondes.
4. Convection : l'air chaud, moins dense, monte et met le fluide en mouvement.

Problème type — bilan énergétique d'un ballon d'eau chaude

Dans un logement, un ballon d'eau chaude sanitaire contient \(V=150\) L d'eau. On veut porter cette eau de \(\theta_1=15\) °C à \(\theta_2=60\) °C. On donne \(c_{eau}=4185\) J·kg\(^{-1}\)·K\(^{-1}\).

(a) Déterminer la masse \(m\) d'eau à chauffer.
(b) Calculer \(\Delta T\), puis l'énergie \(Q\) à fournir (en J, puis en kWh sachant \(1\ \text{kWh}=3{,}6\times10^{6}\) J).
(c) La résistance électrique du ballon a une puissance \(P=2{,}0\) kW. En négligeant les pertes, calculer la durée \(t\) de chauffe (rappel : \(Q=P\times t\)).
(d) En réalité, une fois l'eau chaude, le ballon refroidit lentement. Par quels modes de transfert la chaleur s'échappe-t-elle à travers la paroi et l'air ambiant ? Comment limiter ces pertes ?

(a) \(150\) L d'eau → \(m=150\) kg (car \(1\ \text{L}=1\) kg).

(b) \(\Delta T=60-15=45\) K.
\(Q=mc\Delta T=150\times4185\times45=2{,}82\times10^{7}\ \text{J}\).
En kWh : \(Q=\dfrac{2{,}82\times10^{7}}{3{,}6\times10^{6}}\approx7{,}8\ \text{kWh}\).

(c) \(t=\dfrac{Q}{P}=\dfrac{2{,}82\times10^{7}}{2{,}0\times10^{3}}=1{,}41\times10^{4}\ \text{s}\approx3{,}9\ \text{h}\) (soit environ 3 h 55 min).

(d) La chaleur s'échappe par conduction à travers la paroi solide du ballon, par convection de l'air autour du ballon, et par rayonnement de sa surface. Pour limiter les pertes : isoler le ballon (mousse isolante, jaquette), ce qui réduit surtout la conduction et la convection.