Chapitre 11 – Transferts thermiques et équilibre thermique | 2nde Bac Pro | Physique-Chimie | ⏱ 30 min
Dernière mise à jour : 15 août 2026, 19:10
Hugo part travailler tôt le matin. Il aimerait boire un café encore chaud à la pause de 10 h. Il remarque que le café laissé dans une tasse refroidit vite, alors que celui versé dans sa bouteille isotherme (un « thermos ») reste chaud très longtemps. Il veut comprendre comment cet objet du quotidien arrive à bloquer les transferts de chaleur, comme l'isolation d'une maison garde la chaleur à l'intérieur en hiver.
Le café est à 80 °C, la pièce est à 20 °C. Dans quel sens la chaleur se transfère-t-elle spontanément ? Du café vers la pièce, ou de la pièce vers le café ?
La chaleur se transfère spontanément du corps chaud vers le corps froid : ici du café (80 °C) vers la pièce (20 °C). C'est pourquoi le café refroidit. Le transfert continue jusqu'à l'équilibre thermique (même température, 20 °C).
Cite les trois modes de transfert thermique et indique pour chacun comment la chaleur se déplace.
Les trois modes sont :
Entre les deux parois de la bouteille, il y a du vide (pas d'air). Explique pourquoi ce vide bloque à la fois la conduction et la convection.
La conduction et la convection ont toutes les deux besoin de matière pour transporter la chaleur : la conduction passe d'atome en atome dans un solide, la convection a besoin d'un fluide (air ou liquide) en mouvement.
Dans le vide, il n'y a aucune matière : ni atomes à mettre en contact, ni air à faire circuler. La chaleur ne peut donc pas traverser par conduction ni par convection. Le vide est un excellent isolant.
La surface intérieure de la bouteille est réfléchissante (comme un miroir). Le vide ne suffit pas à bloquer le rayonnement. Explique comment cette surface limite le rayonnement.
Le rayonnement, lui, traverse le vide (comme la chaleur du Soleil traverse l'espace). Le vide ne peut donc pas l'arrêter.
La surface réfléchissante renvoie les ondes infrarouges émises par le café vers l'intérieur, au lieu de les laisser sortir. La chaleur rayonnée est ainsi « réfléchie » vers le café, ce qui limite fortement les pertes par rayonnement.
D'après le Document 2, calcule la baisse de température du café après 6 heures dans la tasse, puis dans le thermos. Compare les deux.
Tasse ouverte : \(80 - 20 = \mathbf{60\ ^\circ\text{C}}\) de baisse en 6 h.
Thermos : \(80 - 70 = \mathbf{10\ ^\circ\text{C}}\) de baisse en 6 h.
Le café du thermos perd 6 fois moins de température (\(60 \div 10 = 6\)). Le thermos ralentit énormément le transfert de chaleur vers la pièce : il garde la boisson chaude bien plus longtemps.
Fais le lien avec l'isolation d'un logement. Le double vitrage (deux vitres séparées par une lame de gaz) et la laine de verre dans les murs jouent un rôle comparable à celui du thermos. Explique le rapport, et l'intérêt pour les économies de chauffage.
Comme le thermos garde le café chaud, l'isolation d'une maison garde la chaleur à l'intérieur en hiver :
Mieux le logement est isolé, moins la chaleur s'échappe, donc moins on a besoin de chauffer : on consomme moins d'énergie, on économise de l'argent et on réduit les émissions de CO₂.
On distingue les matériaux isolants et conducteurs grâce à la conductivité thermique \(\lambda\) (lambda). Explique la différence, et classe ces matériaux : laine de verre (\(\lambda = 0{,}04\)), bois (\(\lambda = 0{,}12\)), aluminium (\(\lambda = 230\)). Unité : W·m−1·K−1.
La conductivité thermique \(\lambda\) mesure la facilité avec laquelle un matériau laisse passer la chaleur par conduction :
Classement du plus isolant au plus conducteur : laine de verre < bois < aluminium. On utilise donc des isolants (faible λ) pour les murs et des conducteurs (grande λ) pour les casseroles ou les radiateurs.
Rédige en quelques phrases (3 à 5) le principe de la bouteille thermos : explique comment elle bloque chacun des trois modes de transfert pour garder le café chaud.
Principe de la bouteille thermos
La chaleur se transfère spontanément du café chaud vers l'extérieur plus froid. Pour ralentir ce transfert, la bouteille agit contre les trois modes. Le vide entre les deux parois empêche la conduction et la convection, car il n'y a aucune matière pour transporter la chaleur. La surface réfléchissante renvoie les ondes infrarouges vers l'intérieur et bloque ainsi le rayonnement. Enfin, le bouchon isolant empêche la chaleur et la vapeur de s'échapper par le haut. Grâce à ces trois protections, le café reste chaud très longtemps.
Hugo veut maintenant garder une boisson froide (un jus glacé) pendant une journée à la plage. La bouteille thermos fonctionne-t-elle aussi dans ce cas ? Pourquoi ?
Oui, le thermos fonctionne aussi pour le froid. Il ne « fabrique » pas de chaleur : il limite les transferts thermiques dans les deux sens. Avec une boisson froide, c'est la chaleur de l'air ambiant (chaud) qui voudrait entrer vers la boisson (froide) ; le vide et la surface réfléchissante limitent l'entrée de cette chaleur, donc la boisson reste froide longtemps.
Réponse à la problématique : la bouteille thermos garde une boisson chaude en bloquant les trois modes de transfert thermique en même temps : le vide entre les parois stoppe la conduction et la convection (pas de matière), la surface réfléchissante stoppe le rayonnement, et le bouchon isolant ferme le haut.
📚 Cette activité s'appuie sur la leçon Ch11 (§ 2 « Les trois modes de transfert thermique » et § 5 « Conductivités thermiques »).
Source : principe de la bouteille isotherme (thermos) et de l'isolation thermique des bâtiments ; valeurs de température et de conductivité réalistes (λ : laine de verre ≈ 0,04 ; bois ≈ 0,12 ; aluminium ≈ 230 W·m−1·K−1).