Fiche de révision : Chaleur et température

📋 Plan du Cours

1. Mesure et échelles de température
2. Température et agitation thermique
3. États et changements de la matière
4. Palier et corps purs
5. Chaleur et capacité thermique

📖 1. Mesure et échelles de température

★ À maîtriser

• La température d’un corps se mesure à l’aide d’un thermomètre.

• L’échelle Celsius, notée °C, place 0 °C au point de solidification de l’eau et 100 °C au point d’ébullition de l’eau au niveau de la mer sous une pression atmosphérique normale.

• L’échelle kelvin, notée K, est utilisée par les scientifiques et appartient au système international ; elle ne comporte pas de valeurs négatives.

📐 Formule - La conversion d’une température Celsius θ en kelvins T suit la relation $T = \theta + 273{,}15$.

Compléments

• Les types de thermomètres présentés sont : les capteurs infrarouges, les thermomètres à liquide fondés sur la dilatation ou la rétraction, les thermocouples, les thermomètres à résistance de platine

• L’échelle Fahrenheit, notée °F, est principalement utilisée aux États-Unis.

• Le zéro absolu correspond à −273,15 °C, soit 0 K, et à l’absence d’agitation thermique ; cette température n’est jamais atteinte.

• L’eau bouillante à 100 °C correspond à 373,15 K.

📖 2. Température et agitation thermique

🔑 Notions clés & Définitions

• Chaleur : Énergie thermique que possède un corps et qui se mesure en joules (J).

★ À maîtriser

• Une variation de température d’un corps correspond à une variation de son agitation thermique.

• Lorsqu’un corps reçoit de l’énergie thermique, son agitation augmente et sa température s’élève ; lorsqu’il perd de la chaleur, sa température et son agitation thermique diminuent.

Compléments

• Une élévation de température nécessite un apport d’énergie, tandis qu’une diminution de température entraîne une perte d’énergie.

💡 Astuce mémo

Apport d’énergie → agitation accrue → température augmente.

📖 3. États et changements de la matière

★ À maîtriser

• Les changements d’état présentés sont :
  • la fusion (solide vers liquide)
  • la solidification (liquide vers solide)
  • la vaporisation (liquide vers gaz)
  • la liquéfaction (gaz vers liquide)
  • la sublimation (solide vers gaz)
  • la condensation (gaz vers liquide)

Compléments

• Dans le modèle présenté, l’eau est solide lorsque θ < 0 °C, liquide lorsque 0 °C < θ < 100 °C et gazeuse lorsque θ > 100 °C.

• À l’état solide, les molécules sont en contact, ordonnées et en vibration.

• À l’état liquide, les molécules sont en contact, désordonnées et en mouvement.

• À l’état gazeux, les molécules sont éloignées et se déplacent rapidement de manière désordonnée.

• Le linge qui sèche au soleil et le dissolvant qui s’évapore d’un flacon ouvert illustrent une vaporisation, du liquide vers le gaz.

• Une flaque qui gèle illustre la solidification, de l’état liquide vers l’état solide.

• La buée qui apparaît sur des lunettes après qu’on a soufflé dessus illustre la condensation, du gaz vers le liquide.

• L’eau des torrents provenant des glaciers illustre la fusion, de l’état solide vers l’état liquide.

📖 4. Palier et corps purs

🔑 Notions clés & Définitions

• Corps pur : Un corps pur est constitué d’une seule substance, contrairement à un mélange qui associe plusieurs substances ne réagissant pas entre elles, comme l’air.

★ À maîtriser

• Lors du chauffage de l’eau, la température augmente puis stagne autour de 100 °C pendant l’ébullition, formant un palier où liquide et gaz coexistent.

• Le palier observé lors d’un changement d’état caractérise un corps pur.

Compléments

• Un mélange ne présente pas de palier lors d’un changement d’état, comme l’illustre l’expérience d’ébullition de l’eau salée.

• Lors de la vaporisation de l’eau chauffée, sa température monte d’abord, puis se stabilise autour de 100 °C pendant que liquide et gaz coexistent.

💡 Astuce mémo

Corps pur : palier ; mélange : pas de palier.

📖 5. Chaleur et capacité thermique

🔑 Notions clés & Définitions

• Capacité thermique massique : Caractérise la capacité d’un corps à échanger de la chaleur pour augmenter de 1 °C la température de 1 kg de ce corps.

★ À maîtriser

📐 Formule - La chaleur échangée lors d’un changement de température est donnée par $Q = m \times c \times (\theta_f - \theta_i)$, où Q est en joules, m en kilogrammes, c en J/kg/°C et les températures en °C.

Compléments

• La capacité thermique massique de l’eau vaut 4180 J/kg/°C.

• Chauffer 200 g d’eau de 17 °C à 65 °C nécessite 40 128 J, soit 40,128 kJ, en utilisant c = 4180 J/kg/°C.

• Pour un bloc de glace de 2,5 kg chauffé de −25 °C à 20 °C avec c = 450 J/kg/°C, le calcul présenté donne Q = 146 250 J, soit 146,250 kJ.