Thermique : comment caractériser les échanges d’énergie sous forme thermique ? en 2nde
Cours complet, points clés à retenir et exercices d'entraînement de thermique : comment caractériser les échanges d’énergie sous forme thermique ? pour les élèves de 2nde. Conforme au programme officiel.
Réviser notion par notion
Ce que tu vas réviser
- Mesure de températures, capteurs de température
- Échelles Celsius et Kelvin
- Transfert thermique entre deux corps
- Énergie échangée exprimée en joule
- Changements d’état
Mesure de température
La température mesure l'agitation des particules d'un corps. Plus les particules bougent vite, plus la température est élevée. On la mesure avec un thermomètre en degrés Celsius (°C) ou en kelvins (K).
Exemple
Quand tu plonges un thermomètre dans de l'eau chaude, il indique une température élevée : les particules d'eau s'agitent beaucoup. Dans de l'eau froide, elles s'agitent moins et la température est plus basse.
À retenir : La température caractérise le niveau d'agitation thermique des particules d'un corps.
Capteurs de température
Un capteur de température est un appareil qui réagit à la température et la convertit en signal mesurable. Il peut être mécanique (thermomètre à alcool) ou électronique (sonde).
Exemple
Le thermomètre électronique médical, la sonde dans le four ou le capteur du système de refroidissement d'une voiture sont des capteurs de température.
À retenir : Un capteur transforme la température d'un corps en valeur qu'on peut lire ou envoyer à un écran.
Échelles Celsius et Kelvin
L'échelle Celsius (°C) est utilisée au quotidien avec 0 °C à la fusion de la glace et 100 °C à l'ébullition de l'eau. L'échelle Kelvin (K) est l'échelle absolue : 0 K est la température la plus basse possible (zéro absolu). Les deux sont liées par une formule simple.
Exemple
L'eau gèle à 0 °C ou 273 K. Une chambre à 20 °C c'est environ 293 K. La température d'une flamme est autour de 1500 K.
À retenir : Pour convertir : $T(K) = T(°C) + 273$ ou $T(°C) = T(K) - 273$
Transfert thermique entre deux corps
Le transfert thermique est le passage de la chaleur d'un corps chaud vers un corps froid. Il se produit automatiquement jusqu'à ce que les deux corps atteignent la même température (équilibre thermique).
Exemple
Quand tu mets un glaçon dans de l'eau chaude, la chaleur passe de l'eau vers le glaçon. L'eau refroidit, le glaçon fond, jusqu'à atteindre la même température.
À retenir : La chaleur se transfère toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid.
Énergie échangée en joule
Quand deux corps échangent de la chaleur, on peut calculer l'énergie transférée en joules (J). Cette énergie dépend de la masse, de la capacité thermique massique et de la variation de température.
Exemple
Pour chauffer une casserole d'eau de 20 °C à 100 °C, il faut fournir environ 336 000 J d'énergie (pour 1 litre, avec c = 4 200 J/(kg·°C)). C'est pourquoi faire bouillir l'eau prend du temps et consomme de l'électricité.
À retenir : L'énergie thermique échangée se calcule avec : $Q = m \times c \times \Delta T$ où Q est l'énergie (J), m la masse (kg), c la capacité thermique massique (en J/(kg·°C)) et ΔT la variation de température.
Changements d'état
Un changement d'état est le passage d'une substance d'un état à un autre (solide, liquide, gaz). Les principaux sont la fusion, la solidification, la vaporisation et la liquéfaction. La fusion et la vaporisation nécessitent de recevoir de l'énergie ; la solidification et la liquéfaction en libèrent.
Exemple
Un glaçon qui fond passe de l'état solide à l'état liquide. De l'eau qui bout passe de l'état liquide à l'état gazeux. Le linge qui sèche perd son eau par évaporation (une vaporisation lente).
À retenir : Pour un changement d'état, il faut fournir ou retirer une énergie appelée énergie latente, même si la température reste constante.
Les points clés
- Température = mesure de l'agitation thermique des particules (en °C ou K)
- Conversion Kelvin-Celsius : $T(K) = T(°C) + 273$
- La chaleur se transfère du corps chaud au corps froid jusqu'à équilibre thermique
- Énergie thermique : $Q = m \times c \times \Delta T$ (en joule)
- Changement d'état : la fusion et la vaporisation nécessitent de recevoir de l'énergie ; la solidification et la liquéfaction en libèrent (énergie massique de changement d'état)
L'essentiel
La thermique étudie comment l'énergie se transfère sous forme de chaleur entre les corps, en utilisant la température pour mesurer cette agitation et les joules pour quantifier cette énergie.
Exercices d'entraînement
Entraîne-toi sur ces exercices, puis fais-toi corriger pas à pas par le tuteur.
Exercice 1
Un verre d'eau de 250 g est à 20 °C. On le met au congélateur qui le refroidit à 0 °C. La capacité thermique massique de l'eau est c = 4 200 J/(kg·°C). Calcule l'énergie thermique libérée.
Corrige cet exercice avec le tuteur →Exercice 2
Convertis les températures suivantes en kelvins : 0 °C, 25 °C, 100 °C, -40 °C.
Corrige cet exercice avec le tuteur →