Physique-Chimie · 1ère Année Bac — Sciences et Technologies Électriques

Énergie thermique et transfert thermique (Sciences Maths)

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Transfert thermique par conduction : Échange d'énergie sans déplacement de matière. Le flux thermique $\Phi$ à travers une paroi est : $\Phi = \frac{Q}{\Delta t} = \frac{T_2 - T_1}{R_{th}}$ .
Transfert thermique par changement d'état : L'énergie reçue ou cédée par un corps pur lors d'un changement d'état est $Q = m \cdot L_f$ (fusion) ou $Q = m \cdot L_v$ (vaporisation).
Transfert thermique par variation de température : Pour un corps de masse $m$ : $Q = m \cdot c \cdot (T_f - T_i)$ , où $c$ est la capacité thermique massique ( $J \cdot kg^{-1} \cdot K^{-1}$ ).
Calorimétrie : Dans un système isolé, la somme des transferts thermiques est nulle : $\sum Q = 0$ .

Méthodes à maîtriser

Bilan thermique : Identifier tous les corps en présence. Écrire $\sum Q = 0$ en incluant le calorimètre ( $Q_{cal} = C_{cal} \cdot \Delta T$ ).
Calcul du flux : Identifier la surface $S$ , l'épaisseur $e$ et la conductivité $\lambda$ pour calculer $R_{th} = \frac{e}{\lambda \cdot S}$ .

Exemples corrigés

Exemple : Chauffer 200g d'eau de 20°C à 80°C ( $c_{eau} = 4180 J \cdot kg^{-1} \cdot K^{-1}$ ). $Q = m \cdot c \cdot \Delta T = 0,2 \cdot 4180 \cdot (80 - 20) = 50160 J$ .

Erreurs fréquentes

Oublier de convertir la masse en $kg$ .
Confondre capacité thermique massique ( $c$ ) et capacité thermique ( $C = m \cdot c$ ).
Oublier le signe "-" dans les transferts thermiques (si le corps cède de la chaleur, $Q < 0$ ).

L'essentiel du cours

Transfert thermique par conduction : Échange d'énergie sans déplacement de matière. Le flux thermique $\Phi$ à travers une paroi est : $\Phi = \frac{Q}{\Delta t} = \frac{T_2 - T_1}{R_{th}}$.
Transfert thermique par changement d'état : L'énergie reçue ou cédée par un corps pur lors d'un changement d'état est $Q = m \cdot L_f$ (fusion) ou $Q = m \cdot L_v$ (vaporisation).
Transfert thermique par variation de température : Pour un corps de masse $m$ : $Q = m \cdot c \cdot (T_f - T_i)$, où $c$ est la capacité thermique massique ($J \cdot kg^{-1} \cdot K^{-1}$).
Calorimétrie : Dans un système isolé, la somme des transferts thermiques est nulle : $\sum Q = 0$.

Méthodes à maîtriser

Bilan thermique : Identifier tous les corps en présence. Écrire $\sum Q = 0$ en incluant le calorimètre ($Q_{cal} = C_{cal} \cdot \Delta T$).
Calcul du flux : Identifier la surface $S$, l'épaisseur $e$ et la conductivité $\lambda$ pour calculer $R_{th} = \frac{e}{\lambda \cdot S}$.

Exemples corrigés

Exemple : Chauffer 200g d'eau de 20°C à 80°C ($c_{eau} = 4180 J \cdot kg^{-1} \cdot K^{-1}$). $Q = m \cdot c \cdot \Delta T = 0,2 \cdot 4180 \cdot (80 - 20) = 50160 J$.

Erreurs fréquentes

Oublier de convertir la masse en $kg$.
Confondre capacité thermique massique ($c$) et capacité thermique ($C = m \cdot c$).
Oublier le signe "-" dans les transferts thermiques (si le corps cède de la chaleur, $Q < 0$).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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🎯 Énergie thermique et transfert thermique (Sciences Maths)

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Quelle est l'unité du flux thermique ?

❓ Questions fréquentes

Qu'est-ce qu'une chaleur latente de fusion ?

C'est l'énergie nécessaire pour faire passer 1 kg d'un corps de l'état solide à l'état liquide à température constante.

💡 À retenir : $L_f$ s'exprime en $J \cdot kg^{-1}$ .

C'est l'énergie nécessaire pour faire passer 1 kg d'un corps de l'état solide à l'état liquide à température constante.

💡 À retenir : $L_f$ s'exprime en $J \cdot kg^{-1}$.

Est-ce que l'énergie interne d'un corps change quand il se refroidit ?

Oui, l'énergie interne diminue car l'agitation thermique des molécules diminue.

💡 À retenir : Refroidissement = perte d'énergie interne.

Pourquoi le métal est-il un bon conducteur thermique ?

Parce qu'il possède une conductivité thermique ( $\lambda$ ) élevée, ce qui signifie qu'il laisse passer l'énergie thermique très facilement.

💡 À retenir : Plus $\lambda$ est grand, plus le matériau est conducteur.

Parce qu'il possède une conductivité thermique ($\lambda$) élevée, ce qui signifie qu'il laisse passer l'énergie thermique très facilement.

💡 À retenir : Plus $\lambda$ est grand, plus le matériau est conducteur.

Est-ce que le flux thermique dépend de la surface ?

Oui, plus la surface $S$ est grande, plus le flux thermique est important (plus il y a de chaleur qui passe).

💡 À retenir : $\Phi$ est proportionnel à $S$ .

Oui, plus la surface $S$ est grande, plus le flux thermique est important (plus il y a de chaleur qui passe).

💡 À retenir : $\Phi$ est proportionnel à $S$.

Quelle est la différence entre capacité thermique et capacité thermique massique ?

La capacité thermique massique ( $c$ ) est une propriété intrinsèque du matériau (ex: l'eau, le fer). Elle est exprimée en $J \cdot kg^{-1} \cdot K^{-1}$ .
La capacité thermique ( $C$ ) dépend de la masse de l'objet : $C = m \cdot c$ . Elle est exprimée en $J \cdot K^{-1}$ .

💡 À retenir : $c$ est pour la matière, $C$ est pour l'objet complet.

La capacité thermique massique ($c$) est une propriété intrinsèque du matériau (ex: l'eau, le fer). Elle est exprimée en $J \cdot kg^{-1} \cdot K^{-1}$.
La capacité thermique ($C$) dépend de la masse de l'objet : $C = m \cdot c$. Elle est exprimée en $J \cdot K^{-1}$.

💡 À retenir : $c$ est pour la matière, $C$ est pour l'objet complet.

Kifach n-3ref wach Q khassha t-kon mojaba wla salba ?

Si le corps reçoit de la chaleur (il se réchauffe), $\Delta T > 0$ , donc $Q > 0$ .
Si le corps cède de la chaleur (il se refroidit), $\Delta T < 0$ , donc $Q < 0$ .

💡 À retenir : $Q$ est positive si le système gagne de l'énergie, négative s'il en perd.

Si le corps reçoit de la chaleur (il se réchauffe), $\Delta T > 0$, donc $Q > 0$.
Si le corps cède de la chaleur (il se refroidit), $\Delta T < 0$, donc $Q < 0$.

💡 À retenir : $Q$ est positive si le système gagne de l'énergie, négative s'il en perd.

Est-ce que la température change pendant un changement d'état ?

Non, pour un corps pur, la température reste constante pendant toute la durée du changement d'état (ex: la glace fond à 0°C).

💡 À retenir : Pendant le changement d'état, l'énergie sert à briser les liaisons, pas à augmenter l'agitation thermique.

Chno hiya l-fayda dyal l-calorimètre f-t-jriba ?

Le calorimètre est un récipient thermiquement isolé. Il permet de limiter les échanges de chaleur avec l'extérieur pour que le bilan thermique soit précis.

💡 À retenir : Sans calorimètre, une partie de la chaleur se perd dans l'air ambiant.

Comment calculer la résistance thermique d'un mur composé ?

Si le mur a plusieurs couches, on additionne les résistances thermiques : $R_{total} = R_1 + R_2 + ...$

💡 À retenir : La résistance thermique totale est la somme des résistances de chaque couche.

Si le mur a plusieurs couches, on additionne les résistances thermiques : $R_{total} = R_1 + R_2 + ...$

💡 À retenir : La résistance thermique totale est la somme des résistances de chaque couche.

Kifach n-7seb l-flux thermique ila kan 3ndi 3idat tabaqat ?

Calcule la résistance thermique de chaque couche : $R_i = \frac{e_i}{\lambda_i \cdot S}$ .
Additionne-les pour avoir $R_{tot}$ .
Utilise la formule : $\Phi = \frac{T_{chaud} - T_{froid}}{R_{tot}}$ .

💡 À retenir : Le flux est le même à travers toutes les couches en régime permanent.

Calcule la résistance thermique de chaque couche : $R_i = \frac{e_i}{\lambda_i \cdot S}$.
Additionne-les pour avoir $R_{tot}$.
Utilise la formule : $\Phi = \frac{T_{chaud} - T_{froid}}{R_{tot}}$.

💡 À retenir : Le flux est le même à travers toutes les couches en régime permanent.

L'unité de la température dans les formules de Q doit-elle être en Kelvin ?

Comme on utilise la variation de température $\Delta T = T_f - T_i$ , la différence en Kelvin est la même qu'en degrés Celsius.

💡 À retenir : $\Delta T (K) = \Delta T (°C)$ .

Comme on utilise la variation de température $\Delta T = T_f - T_i$, la différence en Kelvin est la même qu'en degrés Celsius.

💡 À retenir : $\Delta T (K) = \Delta T (°C)$.

Est-ce que la valeur de c (capacité thermique massique) change avec la température ?

Oui, elle varie légèrement, mais au niveau du lycée, on la considère comme constante. (à vérifier par le professeur)

💡 À retenir : Pour les exercices, on utilise la valeur donnée dans l'énoncé.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un bloc d'aluminium de masse $m = 500g$ est initialement à $20°C$ . On lui apporte une quantité de chaleur $Q = 45 kJ$ . Quelle est sa température finale ? On donne $c_{Al} = 900 J \cdot kg^{-1} \cdot K^{-1}$ .

Exercice 1

Un bloc d'aluminium de masse $m = 500g$ est initialement à $20°C$. On lui apporte une quantité de chaleur $Q = 45 kJ$. Quelle est sa température finale ? On donne $c_{Al} = 900 J \cdot kg^{-1} \cdot K^{-1}$.

Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

On mélange $200g$ d'eau à $80°C$ avec $300g$ d'eau à $20°C$ dans un calorimètre de capacité thermique négligeable. Calculer la température d'équilibre $T_e$ .

Exercice 2

On mélange $200g$ d'eau à $80°C$ avec $300g$ d'eau à $20°C$ dans un calorimètre de capacité thermique négligeable. Calculer la température d'équilibre $T_e$.

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Exercice 3

Une paroi de maison a une surface $S = 20 m^2$ et une épaisseur $e = 20 cm$ . Sa conductivité thermique est $\lambda = 0,5 W \cdot m^{-1} \cdot K^{-1}$ . Calculer le flux thermique si $T_{int} = 22°C$ et $T_{ext} = 2°C$ .

Exercice 3

Une paroi de maison a une surface $S = 20 m^2$ et une épaisseur $e = 20 cm$. Sa conductivité thermique est $\lambda = 0,5 W \cdot m^{-1} \cdot K^{-1}$. Calculer le flux thermique si $T_{int} = 22°C$ et $T_{ext} = 2°C$.

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