Chapitre 6 – Thermique | CAP | Physique-Chimie | ⏱ 50 min
Dernière mise à jour : 5 mai 2026, 18:15
Un ébéniste utilise une étuve pour accélérer le séchage de pièces vernies. Il branche un capteur de température (sonde Pt100) pour surveiller la montée en température, observe la courbe obtenue sur un enregistreur et ajuste les réglages de l'étuve. Il réalise également une brasure à l'étain pour assembler deux pièces métalliques.
📚 Cette activité s'appuie sur §1 (température et conversions), §2 (capteurs Pt100/CTN) et §3 (changements d'état) de la leçon Ch06.
Identifier les 2 phases de la courbe de l'étuve de 0 à 20 min. Décrire le comportement de la température dans chaque phase.
Phase 1 (0 à 5 min) : montée en température, de 20 °C à 60 °C. Étuve en chauffe maximale.
Phase 2 (5 à 20 min) : stabilisation à 60 °C (température de consigne). Le thermostat régule en alternant chauffe et arrêt pour maintenir 60 °C.
Note : à t = 10 min, ouverture de la porte → chute brève à 45 °C, puis remontée à 60 °C en quelques minutes.
À t = 10 min, la température chute quand on ouvre la porte. Quel mode de transfert thermique explique cela ?
Convection : l'ouverture de la porte permet à l'air froid extérieur (plus dense) de pénétrer par le bas et à l'air chaud intérieur de sortir par le haut. C'est un déplacement du fluide (air) qui transporte l'énergie thermique hors de l'étuve.
(La conduction à travers les parois et le rayonnement par la porte ouverte jouent un rôle mineur dans cette chute brutale.)
Convertir 60 °C en kelvins. Cette T est-elle dans la plage d'utilisation de la Pt100 ?
T(K) = T(°C) + 273 = 60 + 273 = 333 K.
Plage Pt100 : −200 à +850 °C, soit 73 K à 1 123 K. La valeur 333 K (60 °C) est largement dans cette plage ✓.
Calculer la résistance de la Pt100 à 60 °C avec R = 100 + 0,385 × θ.
R = 100 + 0,385 × 60 = 100 + 23,1 = 123,1 Ω.
L'enregistreur lit R = 107,7 Ω. Calculer la température mesurée.
Méthode : isoler θ dans R = 100 + 0,385 × θ.
R = 100 + 0,385 × θ → 107,7 − 100 = 0,385 × θ → 7,7 = 0,385 × θ.
θ = 7,7 / 0,385 = 20 °C.
L'enregistreur indique donc 20 °C (température ambiante de l'atelier).
Comparer la Pt100 et la CTN : pour laquelle la résistance augmente-t-elle avec la température ?
Pt100 (résistance de platine) : R augmente quand T augmente → coefficient positif (PTC = Positive Temperature Coefficient).
CTN (Coefficient de Température Négatif, semi-conducteur) : R diminue quand T augmente → coefficient négatif (NTC).
Usages :
Sur la courbe du Doc 3, identifier le palier et expliquer ce qu'il représente physiquement.
Le palier à 232 °C (durée 3 min) correspond à la solidification de l'étain : passage de l'état liquide à l'état solide.
Pendant un changement d'état, la température reste constante car toute l'énergie libérée sert à changer la structure cristalline (réorganiser les atomes).
Pendant le palier, l'étain reçoit-il ou cède-t-il de la chaleur ? (indice : il refroidit, donc…)
L'étain cède de la chaleur à l'environnement (il refroidit). Cette chaleur libérée s'appelle chaleur latente de solidification.
Tant qu'il reste de l'étain liquide, toute la chaleur cédée sert à transformer du liquide en solide → la T reste constante. Une fois tout solidifié, la T peut continuer de baisser.
Inversement, lors de la fusion (chauffage), l'étain absorbe de la chaleur sans changer de température.
Ce résultat (palier net à T constante) est-il caractéristique d'un corps pur ou d'un mélange ? Justifier.
C'est caractéristique d'un corps pur (étain pur) : la solidification se fait à température bien définie (ici 232 °C), avec un palier net.
Un mélange (alliage, solution) n'aurait pas de palier net : la T baisserait progressivement pendant la solidification (sur une plage de quelques degrés). C'est utile pour identifier la pureté d'une substance (méthode de banc Kofler en chimie).
Application : la brasure tendre classique utilise un alliage Sn-Pb (60/40) qui fond entre 183 et 188 °C (pas de palier strict). Pour des soudures précises, on utilise des alliages eutectiques (1 seule température de fusion).
La brasure terminée, l'assemblage est plongé dans l'eau à 20 °C. Expliquer le phénomène d'équilibre thermique.
L'assemblage chaud (~ 232 °C au moment de plonger) cède de la chaleur à l'eau froide (20 °C).
Évolution :
La température finale dépend des masses, des capacités thermiques et de la T initiale. Souvent ~ 25-30 °C dans ce cas (peu de métal dans beaucoup d'eau).
Loi de la calorimétrie : Qcédé par l'assemblage = Qreçu par l'eau (à l'équilibre, en système isolé).
Pourquoi les anciens thermomètres au mercure sont-ils interdits depuis 2009 en Europe ? Par quoi ont-ils été remplacés ?
Les thermomètres au mercure sont interdits depuis le 3 avril 2009 (directive européenne 2007/51/CE) à cause des risques :
Remplacements modernes :
| Type | Plage | Précision | Usage |
|---|---|---|---|
| Thermomètre au gallium | −40 à +110 °C | ± 0,1 °C | Médecine |
| Thermomètre numérique CTN | −10 à +50 °C | ± 0,1 °C | Médecine, ambiance |
| Thermomètre IR sans contact | −50 à +500 °C | ± 1 °C | Industrie, médecine |
| Sonde Pt100 | −200 à +850 °C | ± 0,1 °C | Industrie, métrologie |
| Thermocouple K (Ni-Cr/Ni-Al) | −200 à +1 200 °C | ± 1 °C | Fours, four à pyrolyse |
Pour le CAP : on travaille principalement avec des sondes Pt100 (industrie), des thermocouples K (fours haute température) ou des thermomètres IR sans contact (rapides, sécurisés).