Transferts thermiques et équilibre thermique | 2de Bac Pro
Dernière mise à jour : 8 août 2026, 06:49
Transferts thermiques et équilibre thermique | Questions guidées à compléter
a) Lorsque deux corps de températures différentes sont en contact, l'énergie passe spontanément du corps vers le corps .
b) Quand les deux corps ont fini par atteindre la même température, on dit qu'ils sont en thermique.
c) En physique, on ne dit pas « le froid entre dans la pièce » mais « la sort de la pièce ».
a) Une température se mesure en degré Celsius (°C) ou en kelvin (K). ☐ Vrai ☐ Faux
b) Une énergie échangée sous forme thermique se mesure en joule (J). ☐ Vrai ☐ Faux
c) Deux corps en contact finissent toujours par avoir la même température. ☐ Vrai ☐ Faux
d) Température et chaleur sont deux mots qui désignent la même grandeur. ☐ Vrai ☐ Faux
a) 25 °C = K
b) 12 000 J = kJ
a) Pour élever la température d'une pièce de bois, il faut lui apporter / retirer de l'énergie.
b) Quand une pièce métallique refroidit, elle gagne / perd de l'énergie.
1. a) du corps chaud vers le corps froid — b) en équilibre thermique — c) la chaleur sort de la pièce.
2. a) Vrai — b) Vrai — c) Vrai (c'est l'équilibre thermique) — d) Faux : la température est une grandeur qui se mesure avec un thermomètre, la chaleur est une énergie qui se transfère d'un corps à l'autre.
3. a) \(T = 25 + 273 = \mathbf{298\ \text{K}}\) — b) \(12\,000 \div 1\,000 = \mathbf{12\ \text{kJ}}\).
4. a) il faut lui apporter de l'énergie — b) elle perd de l'énergie.
Dans l'atelier, une pièce d'acier sort du four. On la plonge dans un bécher d'eau froide et on relève les deux températures toutes les 2 minutes.
| Temps (min) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Température de la pièce d'acier (°C) | 80 | 60 | 49 | 42 | 39 | 37 | 35 | 35 |
| Température de l'eau du bécher (°C) | 18 | 26 | 30 | 32 | 33 | 34 | 35 | 35 |
a) Température de la pièce d'acier : °C
b) Température de l'eau : °C
a) À partir de quel instant les deux températures ne changent-elles plus ? \(t =\) min
b) Quelle est alors la température commune des deux corps ? °C
c) Comment appelle-t-on cet état ?
a) La température de la pièce d'acier augmente / diminue (entourer).
b) La température de l'eau augmente / diminue (entourer).
c) En déduire quel corps cède de l'énergie et quel corps en reçoit.
a) Convertir la durée : \(t = 3\text{ min} = \) s
b) Calculer l'énergie \(E\) consommée par le four, en joule puis en kilojoule.
« Deux corps de températures différentes mis en contact évoluent vers un état d' thermique. Le corps le plus cède de l'énergie au corps le plus , jusqu'à ce que les deux aient la température. »
1. a) pièce d'acier : 80 °C — b) eau : 18 °C.
2. a) à partir de \(t = \mathbf{12\text{ min}}\) — b) 35 °C — c) c'est l'équilibre thermique.
3. a) la température de l'acier diminue (de 80 °C à 35 °C) — b) celle de l'eau augmente (de 18 °C à 35 °C) — c) la pièce d'acier, qui refroidit, cède de l'énergie ; l'eau, qui s'échauffe, en reçoit.
4. a) \(t = 3 \times 60 = \mathbf{180\text{ s}}\) — b) \(E = 500 \times 180 = \mathbf{90\,000\text{ J}} = \mathbf{90\text{ kJ}}\).
5. « … vers un état d'équilibre thermique. Le corps le plus chaud cède de l'énergie au corps le plus froid, jusqu'à ce que les deux aient la même température. »
Transferts thermiques et équilibre thermique | Durée : 1 heure — Calculatrice autorisée — Documents non autorisés
a) \(3\,500\text{ J} = \) kJ b) \(0{,}8\text{ kJ} = \) J c) \(20\text{ °C} = \) K
1. La température caractérise l'état d'un corps à un instant donné ; elle se mesure avec un thermomètre, en degré Celsius (°C) ou en kelvin (K). La chaleur est une énergie qui se transfère d'un corps à un autre ; elle s'exprime en joule (J). Un corps « possède » une température, il ne « possède » pas de chaleur : la chaleur n'existe que pendant l'échange.
2. L'énergie se transfère spontanément du corps le plus chaud vers le corps le plus froid. Il n'y a transfert que s'il existe une différence de température entre les deux corps : à températures égales, le transfert s'arrête (équilibre thermique).
3. a) \(3\,500 \div 1\,000 = \mathbf{3{,}5\text{ kJ}}\) — b) \(0{,}8 \times 1\,000 = \mathbf{800\text{ J}}\) — c) \(20 + 273 = \mathbf{293\text{ K}}\).
Une pièce d'acier sortie du four est plongée dans un bécher d'eau froide. Les deux températures sont relevées toutes les 2 minutes.
| Temps (min) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Température de la pièce d'acier (°C) | 80 | 60 | 49 | 42 | 39 | 37 | 35 | 35 |
| Température de l'eau du bécher (°C) | 18 | 26 | 30 | 32 | 33 | 34 | 35 | 35 |
1. À \(t = 0\) : pièce d'acier à 80 °C, eau à 18 °C. Le corps chaud est la pièce d'acier (température la plus élevée).
2. La température de l'acier est décroissante : elle passe de 80 °C à 35 °C, d'abord rapidement puis de plus en plus lentement. Celle de l'eau est croissante : de 18 °C à 35 °C. À partir de 12 min, les deux températures sont constantes et égales. La pièce d'acier cède de l'énergie (sa température baisse), l'eau en reçoit (sa température monte).
3. Température d'équilibre : 35 °C, atteinte à partir de \(t = \mathbf{12\text{ min}}\).
4. Correction : « la pièce d'acier a cédé de l'énergie à l'eau » (ou « l'eau a reçu de l'énergie de la pièce d'acier »). Le froid ne se transmet pas : ce n'est pas une grandeur qui se transporte. Seule l'énergie se transfère, et toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid.
1. \(t = 20 \times 60 = 1\,200\text{ s}\) ; \(E = 1\,500 \times 1\,200 = \mathbf{1\,800\,000\text{ J}} = \mathbf{1\,800\text{ kJ}}\).
2. Au départ, il existe une différence de température importante entre le café (très chaud) et l'air de l'atelier (plus froid). Il y a donc un transfert d'énergie du café vers l'air et vers la tasse : le café perd de l'énergie, sa température diminue. Ce transfert se poursuit tant que la différence de température existe. Au bout de deux heures, le café est à la température de l'atelier : l'équilibre thermique est atteint et le transfert s'arrête. (La température de l'atelier, elle, n'a pas varié de façon mesurable : l'air du local est beaucoup plus « grand » que la tasse.)
Transferts thermiques et équilibre thermique | Concevoir une expérience et interpréter ses résultats
On cherche à vérifier expérimentalement que deux corps de températures différentes, mis en contact, évoluent vers un état d'équilibre thermique. Le matériel disponible est le suivant : un bécher, de l'eau froide, une pièce métallique, un four d'atelier, deux thermomètres, un chronomètre.
1. Il faut relever la température, en degré Celsius (°C) — ou en kelvin —, sur les deux corps à la fois, et à intervalles de temps réguliers. Un seul relevé ne suffirait pas : pour montrer que les deux corps évoluent vers une même valeur, il faut pouvoir comparer leurs deux températures au même instant.
2. Protocole attendu (formulations équivalentes acceptées) :
① Verser l'eau froide dans le bécher, y placer un thermomètre et relever sa température initiale.
② Chauffer la pièce métallique dans le four, puis mesurer sa température à la sortie.
③ Plonger la pièce dans le bécher, déclencher le chronomètre, et relever les deux températures à intervalles réguliers (toutes les 2 minutes par exemple).
④ Arrêter les mesures lorsque les deux températures ne varient plus et sont égales — c'est l'équilibre thermique. (Faire deux ou trois relevés supplémentaires pour confirmer que la valeur est bien stable.)
3. Deux précautions parmi (une justification par précaution) :
— Relever les deux températures au même instant : sinon on ne peut pas comparer, et on ne voit pas les deux courbes se rejoindre.
— Garder un intervalle de temps régulier entre les relevés : l'évolution est rapide au début, un pas irrégulier déformerait la courbe.
— Ne pas sortir le thermomètre ni le poser contre la paroi du bécher : il doit mesurer la température de l'eau, pas celle du verre ou de l'air.
— Limiter les échanges avec l'extérieur (couvercle, éloigner une source de chaleur) : sinon le bécher échange aussi avec l'air de la salle et la température finale n'est plus celle de l'équilibre entre les deux corps étudiés.
— Manipuler la pièce chaude avec une pince et des gants : risque de brûlure.
Un technicien pose une bouteille d'eau chaude sur un établi, dans un local d'atelier dont la température est de 16 °C. Il relève la température de l'eau et celle du local toutes les 10 minutes pendant une heure.
| Temps (min) | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Température de l'eau de la bouteille (°C) | 60 | 47 | 38 | 31 | 26 | 23 | 21 |
| Température du local (°C) | 16 | 16 | 16 | 16 | 16 | 16 | 16 |
a) Décrire l'évolution de la température de l'eau : sens de variation, et rythme de cette variation entre le début et la fin du relevé.
b) La température du local ne varie pas de façon mesurable. Proposer une explication.
a) « À \(t = 60\text{ min}\), l'équilibre thermique est atteint. »
b) « Si on attend assez longtemps, la température de l'eau finira par descendre en dessous de 16 °C. »
1. Eau : 60 °C ; local : 16 °C. C'est l'eau qui cède de l'énergie : c'est le corps le plus chaud, et c'est sa température qui diminue. Le local reçoit cette énergie.
2. a) La température de l'eau est décroissante sur toute la durée : de 60 °C à 21 °C. Le refroidissement est rapide au début (−13 °C sur les 10 premières minutes) puis de plus en plus lent (−2 °C seulement entre 50 et 60 min). C'est cohérent : plus la température de l'eau se rapproche de celle du local, plus la différence de température est faible, et moins le transfert est important.
b) Le local est beaucoup plus grand que la bouteille : l'énergie cédée par l'eau, répartie dans tout l'air du local, ne suffit pas à en élever la température de façon mesurable au thermomètre. Il reçoit bien de l'énergie, mais l'effet est trop faible pour être lu.
3. a) Incorrect : à 60 min, l'eau est à 21 °C et le local à 16 °C — les deux températures sont différentes, et celle de l'eau continue de baisser (−2 °C sur les 10 dernières minutes). L'équilibre thermique n'est pas encore atteint ; il le sera quand l'eau aura atteint 16 °C.
b) Incorrect : le transfert s'arrête dès que les deux températures sont égales. L'eau ne peut pas descendre en dessous de 16 °C, car il faudrait alors que le local, plus chaud qu'elle, lui cède de l'énergie — ce qui la réchaufferait. La température de l'eau tend vers 16 °C et s'y stabilise.
4. \(t = 8 \times 60 = 480\text{ s}\) ; \(E = 400 \times 480 = \mathbf{192\,000\text{ J}} = \mathbf{192\text{ kJ}}\).
5. On peut affirmer que l'eau, plus chaude que le local, lui cède de l'énergie, que sa température diminue, et que ce refroidissement ralentit à mesure que l'écart de température se réduit — le relevé est bien cohérent avec une évolution vers l'équilibre thermique. On ne peut pas encore affirmer que l'équilibre est atteint : il faudrait poursuivre les mesures jusqu'à ce que la température de l'eau se stabilise à 16 °C, celle du local.