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.
1. La température
Définition
La température est une grandeur physique qui traduit le degré d’agitation des particules (atomes, molécules) d’un corps. Plus les particules s’agitent, plus la température est élevée.
Échelles de température
Deux échelles à connaître
Échelle Celsius (°C) : 0 °C = température de fusion de la glace à pression normale ; 100 °C = température d’ébullition de l’eau.
Échelle Kelvin (K) : le zéro absolu (0 K) est la température la plus basse possible. Il n’existe pas de température négative en kelvins.
\[ T(\text{K}) = \theta(\text{°C}) + 273 \]
\(T\) en kelvins — \(\theta\) en degrés Celsius
Exemples de conversion
Situation
Celsius (°C)
Kelvin (K)
Fusion de la glace
0
273
Température ambiante
20
293
Ébullition de l’eau
100
373
Brasure à l’étain
250
523
Étuve pour vernis
60
333
Application rapide
Un four de séchage est réglé à 80 °C. Convertissez en kelvins. Un congélateur est à −18 °C : convertissez aussi.
80 °C → 80 + 273 = 353 K. −18 °C → −18 + 273 = 255 K.
Définition
Un capteur de température est un dispositif dont une grandeur électrique (résistance, tension) varie en fonction de la température. Cette variation permet de mesurer la température sans lire directement un thermomètre à liquide.
Trois types de capteurs courants
Capteur
Principe
Plage d’utilisation
Exemple d’usage
Thermistance CTN
Résistance qui diminue quand la température augmente
−40 °C à +150 °C
Thermostat de chauffage, four
Sonde Pt100
Résistance en platine qui augmente linéairement avec la température
−200 °C à +850 °C
Mesure précise en laboratoire, régulation industrielle
Thermocouple
Tension créée à la jonction de deux métaux différents
−200 °C à +2 000 °C
Brasure, soudure, contrôle de flamme
Propriété
Le choix du capteur dépend de la plage de température à mesurer, de la précision souhaitée et des conditions d’utilisation (milieu corrosif, vibrations, etc.).
Exemple — Brasure et thermocouple
Lors d’une opération de brasure, la température atteint 250 à 450 °C selon le métal d’apport. Un thermocouple est le capteur adapté car il résiste à ces hautes températures et fournit une mesure rapide.
3. Équilibre thermique
Définition
Deux corps en contact évoluent vers un équilibre thermique : le corps chaud se refroidit, le corps froid se réchauffe, jusqu’à ce qu’ils atteignent la même température.
Propriété
Le corps chaud cède de l’énergie (sa température diminue).
Le corps froid reçoit de l’énergie (sa température augmente).
À l’équilibre, les deux corps ont la même température et il n’y a plus de transfert net d’énergie.
Exemple — Pièce métallique dans l’eau
On plonge une pièce métallique chauffée à 200 °C dans un bac d’eau à 20 °C. La pièce se refroidit et l’eau se réchauffe. Au bout de quelques minutes, les deux sont à la même température (par exemple 25 °C) : c’est l’équilibre thermique.
4. Chaleur et température — ne pas confondre
Attention — Confusion fréquente Chaleur et température sont deux notions différentes :
La température est une grandeur mesurable (en °C ou K) qui décrit l’état thermique d’un corps à un instant donné.
La chaleur (notée \(Q\)) est un mode de transfert d’énergie entre deux corps de températures différentes. Elle s’exprime en joules (J).
Définition
La chaleur est un transfert d’énergie thermique qui s’effectue spontanément du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jusqu’à l’équilibre thermique.
Propriété
L’élévation de température d’un corps nécessite un apport d’énergie (sous forme de chaleur).
La diminution de température d’un corps correspond à une perte d’énergie (cédée sous forme de chaleur).
Exemple — Chauffage d’un local
Un radiateur à 60 °C réchauffe une pièce à 15 °C. De la chaleur est transférée du radiateur (chaud) vers l’air de la pièce (froid). La température de la pièce augmente progressivement. Quand le thermostat coupe le radiateur, l’équilibre est atteint.
5. Les changements d’état
Définition
Un changement d’état est le passage d’un état physique (solide, liquide, gaz) à un autre. Il se produit à une température précise pour un corps pur et nécessite un transfert de chaleur.
Les quatre changements d’état au programme
Changement d’état
Transition
Transfert thermique
Fusion
Solide → Liquide
Le corps absorbe de la chaleur
Solidification
Liquide → Solide
Le corps libère de la chaleur
Vaporisation
Liquide → Gaz
Le corps absorbe de la chaleur
Liquéfaction
Gaz → Liquide
Le corps libère de la chaleur
Propriété — Palier de température
Pour un corps pur, la température reste constante pendant toute la durée du changement d’état. On observe un palier sur la courbe de température en fonction du temps.
Attention — Corps pur vs mélange
Corps pur (eau pure, étain pur) : palier net, température constante pendant le changement d’état.
Mélange (eau salée, alliage de brasure) : pas de palier net, la température évolue progressivement pendant le changement d’état.
Températures de changement d’état — Exemples
Corps pur
Fusion (°C)
Vaporisation (°C)
Eau
0
100
Étain (brasure)
232
2 602
Plomb
327
1 749
Cuivre
1 085
2 562
Exemple — Brasure à l’étain
Lors d’une brasure tendre, le fil d’étain est porté au-dessus de sa température de fusion (232 °C). L’étain passe de l’état solide à l’état liquide (fusion), coule dans le joint, puis se refroidit et redevient solide (solidification) en formant la brasure.
Exemple — Étuve pour vernis
Un ébéniste place des pièces vernies dans une étuve réglée à 60 °C. La chaleur fournie par l’étuve accélère l’évaporation des solvants contenus dans le vernis (vaporisation). La température est contrôlée grâce à une sonde Pt100 reliée au thermostat.
6. Courbe de température lors d’un changement d’état
Application rapide
Un ébéniste plonge un fer à souder (250 °C) dans un bac d'eau froide (20 °C). Le fer se refroidit et l'eau se réchauffe. Quelle sera la direction du transfert de chaleur ? Vers quelle température s'oriente-t-on ?
La chaleur est transférée du fer (chaud) vers l'eau (froide). On s'oriente vers une température d'équilibre intermédiaire (entre 20 et 250 °C).
Méthode — Lire une courbe de changement d'état
Repérer les parties où la température varie : le corps est dans un seul état (chauffage ou refroidissement).
Repérer le palier (portion horizontale) : la température reste constante pendant le changement d’état.
Lire la température du palier : c’est la température de changement d’état du corps pur.
Identifier le changement d’état : si la température augmente avant le palier, c’est une fusion ou une vaporisation ; si elle diminue, c’est une solidification ou une liquéfaction.
Exemple — Fusion de la glace
On chauffe un glaçon initialement à −10 °C :
De −10 °C à 0 °C : la température augmente — la glace se réchauffe (solide).
À 0 °C : palier de fusion — la glace fond en eau liquide à température constante.
Au-dessus de 0 °C : la température augmente de nouveau — l’eau liquide se réchauffe.
7. Transferts thermiques — résumé
Les trois modes de transfert thermique
Mode
Principe
Exemple en atelier
Conduction
Transfert de proche en proche dans un matériau, sans déplacement de matière
Manche métallique d’un fer à souder qui chauffe
Convection
Transfert par déplacement d’un fluide (air, eau)
Air chaud qui monte au-dessus d’un radiateur
Rayonnement
Transfert par ondes électromagnétiques (infrarouges), sans support matériel
Chaleur ressentie face à une flamme de chalumeau
8. À retenir
Application rapide
Lors de la brasure d'étain (température de fusion 232 °C), on observe un palier sur la courbe de refroidissement. Ce phénomène indique-t-il que l'étain est un corps pur ou un mélange ? Justifiez.
Corps pur : le palier net à température constante est la caractéristique d'un corps pur. Un mélange n'aurait pas de palier mais une transition progressive.
Erreurs fréquentes à éviter
Confondre chaleur et température : la température (°C ou K) mesure l'état thermique d'un corps. La chaleur (J) est l'énergie transférée d'un corps chaud vers un corps froid.
Croire que 0 °C = 0 K : le zéro absolu est 0 K = −273 °C. Il n'existe pas de température négative en kelvins.
Penser qu'un mélange a un palier net : seul un corps pur a un palier horizontal pendant le changement d'état. Un alliage (mélange) change d'état sur une plage de températures.
Choisir le mauvais capteur : la CTN est adaptée pour des températures modérées (−40 à +150 °C). Pour une brasure à 400 °C, il faut un thermocouple.
À retenir
La température se mesure en degrés Celsius (°C) ou en kelvins (K). Conversion : \(T(\text{K}) = \theta(\text{°C}) + 273\).
Les capteurs de température courants sont la thermistance CTN (résistance diminue), la sonde Pt100 (résistance augmente linéairement) et le thermocouple (tension aux bornes de deux métaux différents).
Deux corps en contact évoluent vers un équilibre thermique : même température finale.
La chaleur est un transfert d’énergie du corps chaud vers le corps froid. Elle ne doit pas être confondue avec la température.
Les quatre changements d’état : fusion (S→L), solidification (L→S), vaporisation (L→G), liquéfaction (G→L).
Pour un corps pur, la température reste constante pendant le changement d’état (palier). Pour un mélange, elle varie progressivement.
Un changement d’état nécessite toujours un transfert de chaleur : absorption (fusion, vaporisation) ou libération (solidification, liquéfaction).