Mesurer des températures et utiliser les échelles Celsius et Kelvin.
Connaître différents types de capteurs de température (thermistance CTN, Pt100, thermocouple).
Vérifier expérimentalement l’équilibre thermique entre deux corps en contact.
Distinguer chaleur et température.
Étudier les changements d’état d’un corps pur et d’un mélange.
Socle
Exercice 1 — Températures et changements d'état (6 points)
(2 pts) Convertissez les températures suivantes :
20 °C = ___ K 100 °C = ___ K 373 K = ___ °C 0 K = ___ °C
(2 pts) Complétez le tableau des changements d'état :
Changement d'état
Transition
Fusion
Vaporisation
Solidification
(2 pts) Vrai ou faux ?
a) Pendant la fusion d'un corps pur, la température reste constante. V / F
b) La chaleur est la même chose que la température. V / F
c) Le corps chaud cède de l'énergie au corps froid. V / F
d) Pour un mélange, il y a un palier net pendant le changement d'état. V / F
Correction :
20 °C → 293 K / 100 °C → 373 K / 373 K → 100 °C / 0 K → −273 °C.
Exercice 1 — Capteurs et équilibre thermique (8 points)
(2 pts) Un four de séchage de vernis est réglé à 65 °C. Quelle température cela représente-t-il en kelvins ? Quelle sonde est la plus adaptée (CTN, Pt100 ou thermocouple) pour mesurer cette température ? Justifiez.
(2 pts) Une pièce métallique à 180 °C est plongée dans un bac d'eau à 20 °C. Expliquez ce qu'il se passe (équilibre thermique). Si la température finale est 26 °C, qui a perdu de l'énergie et qui en a gagné ?
(2 pts) Un artisan braise de l'étain (température de fusion = 232 °C). Il observe que la température reste stable à 232 °C pendant quelques secondes. Comment appelle-t-on cette phase ? Pourquoi la température ne change-t-elle pas ?
(2 pts) Donnez les trois modes de transfert thermique et un exemple en atelier pour chacun.
Correction :
65 °C = 338 K. Sonde Pt100 adaptée : plage −200 à +850 °C, précision pour thermostat de four. CTN aussi possible (−40 à +150 °C) mais moins précise.
La pièce cède de l'énergie (chaleur), l'eau en reçoit → équilibre à 26 °C. La pièce a perdu de l'énergie, l'eau en a gagné.
Palier de fusion (solidification lors du refroidissement). La chaleur fournie est utilisée pour le changement d'état, pas pour augmenter la température.
Conduction : manche métallique d'un fer à souder / Convection : air chaud au-dessus d'un radiateur / Rayonnement : chaleur d'un chalumeau à distance.
Approfondissement
Exercice 1 — Analyse d'une courbe de changement d'état (6 points)
Un alliage de brasure (étain 60 % / plomb 40 %) est chauffé depuis 20 °C. La courbe température = f(temps) montre : montée rapide de 20 à 183 °C, zone de transition progressive de 183 à 212 °C (pas de palier net), puis montée au-delà de 212 °C (état liquide).
(2 pts) Pourquoi n'y a-t-il pas de palier net entre 183 et 212 °C ? Comparez avec la fusion de l'étain pur (232 °C, palier net).
(2 pts) La soudure refroidit en dessous de 183 °C, elle redevient solide. Quel changement d'état se produit ? L'alliage cède-t-il ou reçoit-il de la chaleur ?
(2 pts) Un thermocouple est utilisé pour surveiller la température pendant la brasure. Il mesure 198 °C. L'alliage est-il solide, en cours de fusion ou entièrement liquide à cette température ? Justifiez.
Correction :
L'alliage est un mélange (deux composants). Pour un mélange, il n'y a pas de température de fusion fixe mais une plage de transition. L'étain pur a un palier net à 232 °C car c'est un corps pur (transition à température constante).
Solidification (liquide → solide). L'alliage cède de la chaleur à son environnement (il refroidit).
198 °C est dans la plage de transition (183–212 °C) : l'alliage est partiellement en cours de fusion (mélange liquide-solide). Il n'est ni entièrement solide ni entièrement liquide.
Exercice 2 commun — Étuve à vernis (6 points)
Un ébéniste utilise une étuve électrique réglée à 60 °C pour sécher des pièces vernies. Une sonde Pt100 mesure la température interne.
(2 pts) Convertissez 60 °C en kelvins. La sonde Pt100 convient-elle pour cette plage de température ?
(2 pts) La résistance de la sonde Pt100 est de 100 Ω à 0 °C et augmente de 0,385 Ω par degré. Quelle est la résistance à 60 °C ?
(2 pts) En ouvrant la porte de l'étuve, de l'air froid entre et de l'air chaud sort. Quel mode de transfert thermique explique ce phénomène ? Qu'observe-t-on sur la courbe de température ?
Correction :
60 + 273 = 333 K. Oui, la Pt100 est adaptée (plage −200 à +850 °C).
Convection : le fluide (air) se déplace en transportant l'énergie. La courbe montre une chute de température à l'ouverture de la porte, puis une remontée quand l'étuve se régule.