Chapitre 4 | Première Bac Pro ERA-MA (Grpt 3) | Physique-Chimie | ⏱ 50 min
Dernière mise à jour : 5 mai 2026, 10:30
Julien, poseur de cuisines et de mobilier sur mesure chez Agencement Bois & Co à Grenoble, intervient chez un client pour installer des étagères murales dans un bureau. En arrivant, il constate que la pièce est inconfortable : le mur extérieur est froid au toucher, l'air semble circuler du radiateur vers la fenêtre, et le soleil qui entre par la baie vitrée chauffe fortement le parquet. Le client se plaint de factures de chauffage élevées. Julien décide d'analyser la situation pour comprendre par où et comment la chaleur s'échappe.
Julien utilise un thermomètre infrarouge pour mesurer les températures en différents points. Température extérieure : 4 °C. Chauffage réglé à 20 °C.
| Zone mesurée | Tsurface (°C) | Observation |
|---|---|---|
| Mur extérieur (béton, sans isolation) | 12,5 | Froid au toucher |
| Mur intérieur (cloison placo) | 19,2 | Température normale |
| Fenêtre simple vitrage | 8,3 | Très froid, buée visible |
| Radiateur en fonctionnement | 55,0 | Air chaud monte au plafond |
| Parquet au soleil (devant baie vitrée) | 32,0 | Chaud sans contact radiateur |
| Plafond au-dessus du radiateur | 24,8 | Plus chaud que le reste |
| Sol côté mur extérieur | 14,0 | Frais |
| Matériau | λ (W/m·K) | Qualité isolante |
|---|---|---|
| Béton (mur extérieur) | 1,7 | Conducteur moyen |
| Verre (fenêtre) | 1,0 | Conducteur moyen |
| Bois de chêne (parquet) | 0,16 | Bon isolant |
| Placo (cloison intérieure) | 0,25 | Isolant moyen |
| Laine de verre | 0,032 | Excellent isolant |
| Polystyrène expansé | 0,035 | Excellent isolant |
| Air immobile | 0,025 | Excellent isolant |
📚 Cette activité s'appuie sur §1 (modes de transfert), §2 (conductivité λ) et §3 (formule Q = mcΔθ) de la leçon Ch04.
À partir du document 2 :
a) Quelle zone présente la température de surface la plus élevée (hors radiateur) ? Quelle est cette température ?
b) Quelle zone présente la température la plus basse ?
c) Quelle est la différence de température Δθ entre l'intérieur (20 °C) et l'extérieur (4 °C) ?
a) Zone la plus chaude (hors radiateur) : parquet au soleil à 32,0 °C.
b) Zone la plus froide : fenêtre simple vitrage à 8,3 °C.
c) Δθ = 20 − 4 = 16 °C (ou 16 K).
Les 3 modes de transfert thermique sont : conduction, convection, rayonnement. Pour chaque observation, identifier le mode principal et justifier.
a) Le mur extérieur en béton est froid au toucher alors que la pièce est chauffée à 20 °C.
b) L'air chaud du radiateur monte au plafond : le plafond au-dessus du radiateur est à 24,8 °C, plus chaud que le reste.
c) Le parquet devant la baie vitrée est à 32 °C alors qu'il n'est pas en contact avec le radiateur.
a) Conduction : la chaleur intérieure traverse le mur en béton de proche en proche, sans déplacement de matière. Le béton conduit (λ = 1,7 W/m·K), la chaleur passe vers l'extérieur.
b) Convection (naturelle) : l'air chauffé devient moins dense et monte vers le plafond. L'air froid descend. Mouvement de matière (air) → courant de convection.
c) Rayonnement : le soleil émet des ondes électromagnétiques (visible + infrarouge) qui traversent la vitre et chauffent le parquet sans contact direct. Pas besoin de support matériel.
Pour chaque situation, indiquer le mode de transfert :
a) Les étagères en bois semblent « chaudes » au toucher, alors que les équerres métalliques semblent « froides ». Pourtant, les deux sont à la même température ambiante.
b) L'air frais entre par les joints mal fermés de la fenêtre.
c) Julien ressent la fraîcheur de la fenêtre simple vitrage à distance, sans la toucher.
a) Conduction : le métal (bon conducteur) évacue rapidement la chaleur de la main → sensation de froid. Le bois (λ = 0,16) évacue lentement → sensation de « chaud ». La sensation dépend de la conductivité, pas de la température réelle.
b) Convection forcée par le vent : l'air froid extérieur pénètre par les joints et remplace l'air chaud intérieur. Déplacement de matière (fluide).
c) Rayonnement : le corps de Julien (chaud) émet un rayonnement infrarouge vers la vitre froide. Il perd de l'énergie par rayonnement → sensation de froid à distance, sans contact.
Pendant la nuit, le chauffage s'arrête et l'air de la pièce se refroidit de 20 °C à 14 °C. Avec Q = m × c × Δθ :
a) Identifier les valeurs de m, c et Δθ à partir du document 4.
b) Calculer l'énergie Q perdue par l'air de la pièce. Exprimer en J puis en kJ.
a) D'après le document 4 :
b) Q = 54 × 1 005 × (−6) = −325 620 J.
Le signe négatif indique que l'air a perdu de l'énergie.
|Q| = 325 620 J ≈ 326 kJ.
L'air de la pièce a perdu environ 326 kJ d'énergie thermique en se refroidissant de 6 °C.
À l'aide du document 3, comparer les matériaux.
a) Classer les matériaux du meilleur conducteur au meilleur isolant : béton, verre, bois de chêne, laine de verre.
b) Calculer le rapport λbéton / λlaine de verre. Interpréter.
c) Pourquoi le bois donne-t-il une sensation plus chaude que le béton au toucher, à même température ?
a) Du plus conducteur au plus isolant (du plus grand λ au plus petit) :
b) Rapport = 1,7 / 0,032 ≈ 53. Le béton conduit la chaleur 53 fois mieux que la laine de verre. Sans isolation, un mur en béton laisse passer énormément de chaleur.
c) Le bois (λ = 0,16) conduit beaucoup moins la chaleur que le béton (λ = 1,7). Au toucher, le béton évacue rapidement la chaleur de la main → sensation de froid. Le bois l'évacue lentement → sensation de « chaud ». La sensation dépend de la conductivité, pas de la température.
Julien souhaite calculer l'énergie nécessaire pour réchauffer le mur extérieur de 12,5 °C à 18 °C (après isolation). Mur : surface S = 8 m², épaisseur e = 20 cm, masse volumique du béton ρ = 2 300 kg/m³.
a) Calculer le volume V du mur (m³), puis la masse m (kg).
b) Avec cbéton = 880 J/(kg·°C) et Q = m × c × Δθ, calculer l'énergie nécessaire. Exprimer en kJ et MJ.
a) Volume : V = S × e = 8 × 0,20 = 1,6 m³.
Masse : m = ρ × V = 2 300 × 1,6 = 3 680 kg.
b) Δθ = 18 − 12,5 = 5,5 °C.
Q = 3 680 × 880 × 5,5 = 17 811 200 J ≈ 17 811 kJ ≈ 17,8 MJ.
Il faut environ 17,8 MJ pour réchauffer ce mur de 5,5 °C. Cette énergie considérable montre l'inertie thermique du béton : il stocke beaucoup mais met longtemps à se réchauffer.
En comparant les résultats des questions 4 (air) et 6 (mur) :
a) L'énergie perdue par l'air est-elle du même ordre de grandeur que celle stockée dans le mur ? Quel élément stocke le plus ?
b) Vérifier que les ordres de grandeur sont cohérents. Pourquoi le mur stocke-t-il beaucoup plus d'énergie que l'air ?
a) Air : 326 kJ. Mur : 17 811 kJ. Le mur stocke environ 55 fois plus d'énergie que l'air.
b) C'est cohérent. Le mur est beaucoup plus massif (3 680 kg vs 54 kg) et le béton a une capacité thermique massique élevée (880 J/(kg·°C)). Les matériaux lourds comme le béton ont une forte inertie thermique : ils mettent longtemps à se réchauffer mais restituent la chaleur lentement.
C'est pourquoi un bâtiment en béton garde la fraîcheur en été et met du temps à chauffer en hiver.
Julien souhaite conseiller son client. Rédiger 3 recommandations, en précisant pour chacune :
Pourquoi remplit-on le double-vitrage avec du gaz argon plutôt que de l'air ? Quel gain thermique attendre ?
Conductivités thermiques (W/m·K) :
L'argon est un gaz noble, plus dense que l'air, qui se déplace moins facilement (la convection dans la lame est réduite). Un double-vitrage à l'argon est 30 à 40 % plus isolant qu'à l'air, pour ~ 30 €/m² de surcoût.
Performances comparées (coefficient Ug du vitrage) :
Le revêtement Low-E (Low Emissivity) est une couche métallique transparente qui réfléchit le rayonnement infrarouge → réduit aussi les pertes par rayonnement. Argon + Low-E = standard moderne RT2012 / RE2020.
Pour Julien : recommandation systématique du double vitrage Low-E argon en rénovation.