Chapitre 5 : Température et Chaleur Que ce soit en météorologie, en calorimétrie ou bien encore en cuisine, les notions de chaleur et de température sont omniprésentes. Elles permettent en effet d’expliquer un grand nombre de phénomènes physico-chimiques appartenant à notre quotidien. Activité 1 : Une activité chaleureuse. Question : Une personne lézarde en plein mois d’août au soleil. Après avoir bien transpiré, cette dernière plonge dans l’eau d’une piscine. Quelle est la réaction immédiate de la personne lors de son entrée dans l’eau ? L’eau est-elle chaude ou fraîche ? Réponses des élèves : L’eau est fraîche ! On a souvent du mal à y entrer. Question : La personne fait quelques brasses dans l’eau de la piscine. Au bout d’un certain temps, l’eau de la piscine lui paraît-elle aussi fraîche ? Réponses des élèves : Non, au bout d’un moment le nageur n’a plus froid. Question : L’eau de la piscine s’est-t-elle réchauffée au cours de cette expérience ? Comment peut-on le vérifier simplement ? Réponses des élèves : Non, l’eau de la piscine ne s’est pas réchauffée. Pour le prouver, il suffit de vérifier que la température de l’eau est la même à tout instant. En fait, c’est le corps du plongeur qui s’est habitué à la température de l’eau.

La température est donc une variable d’état c'est-à-dire une grandeur permettant de décrire l’état thermique d’un corps.

Prenons à présent un autre exemple bien connu : On place un glaçon dans un verre d’eau à température ambiante. On attend alors quelques instants. Question : Au départ, quel est le corps dont la température est la plus élevée ? Réponses des élèves : L’eau a une température plus élevée que le glaçon. Question : Que devient le glaçon plongé dans l’eau au bout d’un certain temps ? Comment expliqueriez-vous ce phénomène ? Réponses des élèves : Le glaçon fond car sa température augmente. Il passe de l’état solide à l’état liquide. Question : Que peut-on dire de la température de l’eau ? Réponses des élèves : Elle a évidemment diminué.

En réalité le corps ayant la température la plus élevée va fournir de l’énergie à celui dont la température est la plus basse.

Cet échange d’énergie thermique est appelé « Transfert thermique » ou « Chaleur ».

I Définitions La température est une variable d’état c'est-à-dire une grandeur permettant de décrire l’état thermique d’un corps. Les termes « transfert thermique » et « chaleur » sont équivalents. Il y a transfert thermique chaque fois que l’on met en contact deux corps ayant des températures différentes. Le transfert thermique s’effectue spontanément du corps ayant la température la plus élevée vers le corps ayant la température la plus basse. Lors d’un transfert thermique, il arrive qu’il y ait changement d’état mais ce n’est pas forcement le cas. II Changements d’état d’un corps. La matière peut se trouver sous trois états : l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux. Les changements d’état d’un corps sont schématisés sur le document ci-dessous : III Mesures et échelles de Températures. Question : Quel est le nom de l’appareil que vous utiliseriez pour mesurer la température d’un corps ? Réponses des élèves : Un thermomètre bien sûr ! Nous allons nous intéresser à présent au fonctionnement de ce dernier. Activité 2 : Le thermomètre à liquide. Le professeur donne à chaque groupe de travail un thermomètre à alcool et demande à ses élèves d’observer l’objet avec beaucoup d’attention. Une fois le temps d’observation terminé, le professeur demande aux élèves de noter sur leur feuille les différents éléments qui composent le thermomètre ainsi que de décrire l’utilité de chacun dans le cadre de la mesure d’une température. Réponses des élèves :

- Un liquide coloré : son volume varie en fonction de la température et permet la mesure de la température.

- Un tube en verre : qui sert à contenir le liquide. - Un réservoir au bas du tube en verre: qui contient au départ le liquide. - Des graduations : qui servent à lire la valeur de la température.

Un thermomètre est donc un tube en verre gradué contenant un liquide dont le volume varie en fonction de la température. On s’intéresse à présent aux graduations du thermomètre. Nous allons essayer de comprendre comment une telle échelle de température peut être mise en place. En fait, on cherche à comprendre comment on étalonne un thermomètre. Question : Comment se nomme le phénomène qui permet d’expliquer la variation du volume d’un corps en fonction de sa température ? Réponse : La dilatation. Question : Quelle partie du thermomètre doit toucher le milieu dont on veut déterminer la température ? Réponse des élèves : Le réservoir Question : La détermination de la température est-elle immédiate ? Réponse des élèves : Non, il faut laisser le temps au liquide de se dilater. Puis on attend en général que le liquide se stabilise. La lecture de la température d’un corps ne doit être effectuée qu’une fois l’équilibre thermique atteint entre le thermomètre et le corps. L’équilibre thermique entre deux corps en contact n’est atteint qu’au bout d’un certain temps. On sait que ce dernier n’est atteint que lorsque le volume du liquide est stable. Question : Quel phénomène est caractérisé par le 0°C ? De même, citez le phénomène caractérisé par la température de 100°C. Réponse des élèves : Le 0°C correspond à la solidification de l’eau liquide en solide (glace) et le 100°C correspond à la vaporisation de l’eau liquide. Question : Le liquide contenu dans le tube du thermomètre est-il de l’eau ? Justifiez votre réponse ? Réponse des élèves : Non ce n’est pas de l’eau. Le liquide contenu dans le thermomètre ne s’évapore pas à 100°C et ne gèle pas à 0°C. En effet, dans le cas de nos thermomètres le liquide utilisé est de l’alcool. Question : Comment vous y prendriez-vous pour étalonner votre thermomètre. Réponse des élèves : On fait chauffer de l’eau dans laquelle on plonge le thermomètre à étalonner. On regarde le niveau du liquide du thermomètre. Quand l’eau bout, ce niveau correspond au 100°C. Puis on place le thermomètre dans de l’eau stockée dans un congélateur. Dés que l’eau se solidifie, on repère à nouveau le niveau du liquide qui correspond au 0°C. Pour obtenir les autres graduations, il suffit de diviser la distance séparant le 0°C du 100°C par 100. On a alors un thermomètre précis au degré prés.

On réalise l’expérience suivante pour vérifier notre raisonnement : Les élèves constatent alors l’imprécision de ces thermomètres. On peut alors leur proposer la mise en place d’un procédé beaucoup plus efficace : le thermomètre numérique. Activité 3 : Le thermomètre numérique. Expérience : On dispose de trois béchers contenant de l’eau à différentes températures. On plonge successivement une même thermistance reliée à un ohmmètre dans chaque bécher. On mesure à chaque fois la valeur de la résistance. Que constate-t-on ? Que peut-on en déduire ? Comme son nom l’indique une thermistance est un conducteur ohmique dont la valeur de la résistance est modifiée par la température du milieu environnant dans lequel elle est plongée. Il existe deux types de thermistances :

- Les thermistances à Coefficient de Température Négatif ou CTN dont le symbole est le suivant :

- Les thermistances à Coefficient de Température Positif ou CTP dont le symbole est le suivant : Nous allons nous servir d’une CTN pour réaliser notre propre thermomètre numérique. Pour cela on se doit d’étudier l’évolution de la valeur de la résistance d’une CTN en fonction de la température.

-�

+�

1) Réaliser le montage suivant et le faire vérifier : 2) Relever simultanément RCTN avec l’ohmmètre et � (la température du bain) avec le thermomètre

numérique sur une plage de température allant de 10°C à 100°C. ! Pour pouvoir bénéficier d’un milieu bien homogène en température on doit prendre les mesures

à la descente des températures. On chauffe donc d’abord jusqu’à 100°C puis on fait les mesures en laissant refroidir !

3) Placer vos mesures dans un tableau à double entrée. 4) A l’aide de régressi, tracer la courbe RCTN = f(�). 5) Peut-on dire qu’il y a proportionnalité entre ces deux grandeurs ? 6) Essayer alors à l’aide des modèles proposés par régressi, de trouver la fonction mathématique qui

décrit au mieux l’évolution de la résistance de la thermistance en fonction de la température. La noter.

7) Comment utiliseriez vous cette courbe pour mesurer la température d’une eau tiède si vous n’aviez plus de thermomètre mais juste la thermistance et l’ohmmètre ? Quel nom donneriez vous à cette courbe ?

8) Trouvez vous cette courbe facile d’utilisation ? On obtient le graphe suivant :

� T °C

Agitateur Magnétique Chauffant

Thermistance CTN

Thermomètre numérique

On constate que dans le cas des CTN, plus la température augmente, plus la résistance diminue. De plus, la loi qui lie RCTN à � est :

Avec a et b des constantes qui varient d’une thermistance à une autre.

III.1 Mesure d’une température. Un thermomètre est donc un tube en verre gradué contenant un liquide dont le volume varie en fonction de la température. La lecture de la température d’un corps ne doit être effectuée qu’une fois l’équilibre thermique atteint entre le thermomètre et le corps. L’équilibre thermique entre deux corps en contact n’est atteint qu’au bout d’un certain temps. On sait que ce dernier n’est atteint que lorsque le volume du liquide est stable. Cependant, on utilise aujourd’hui des thermomètres beaucoup plus précis appelés thermomètres numériques. III.2 Echelles de Températures. Les échelles de températures sont construites à partir de phénomènes physiques ayant lieu à des températures précises (ébullition de l’eau,…). Il n’existe pas en réalité une seule et unique échelle de températures. On a par exemple : Attention, en physique l’échelle de températures utilisée est le Kelvin ! On a :

θθ ⋅⋅= beaR )(

15,273+= θT

IV Les différents modes de transferts thermiques. Activité 2 : Les casseroles de grand-mère. Les casseroles de vos grand-mères étaient toutes de couleur jaune orangé révélant leur fabrication en cuivre. Si ces casseroles étaient d’une grande durabilité, elles présentaient tout de même un grand défaut au moment de leur utilisation. Question : Quel est ce défaut ? Réponses des élèves : Elles devaient être retirées du feu en tenant le manche à l’aide d’un torchon pour éviter de se brûler. Question : Comment peut-on expliquer cela ? Réponses des élèves : Le cuivre est un conducteur thermique. Question : Citez d’autres exemples mettant en évidence ce phénomène de conduction. Réponses des élèves : La grille du barbecue. Question : Tous les métaux conduisent-ils de la même façon ? Comment vous y prendriez-vous pour vérifier vos dires ? Réponses des élèves : Non. Principe du conductiscope. Les lames métalliques du conductiscope sont recouvertes d’un film dont la couleur change en fonction de la température. Ce dispositif permet de comparer la conductibilité thermique des métaux. IV.1 La conduction thermique. A l’échelle microscopique, le transfert thermique s’explique par la propagation, de proche en proche, de l’agitation des atomes ou des molécules à cause des chocs : ce phénomène porte le nom de conduction thermique. La conduction est un mode de transfert thermique qui s’effectue sans transfert de matière. Il peut y avoir conduction thermique à l’intérieur d’un même corps si des parties de ce corps sont à des températures différentes. La conduction thermique s’effectue alors spontanément de la partie du corps ayant la température la plus élevée vers la partie ayant la température la plus basse. Les métaux sont de bons conducteurs thermiques, l’air et le polystyrène expansé sont de mauvais conducteurs (on parle alors d’isolants thermiques).

IV.2 La convection thermique. Question : Dans une maison, vaut-il mieux placer les radiateurs à l’étage ou au rez-de-chaussée ? Réponses des élèves : Au rez-de-chaussée. Lorsqu’une pièce contient un radiateur à circulation d’eau chaude, l’air se réchauffe au contact du radiateur et s’élève : il se crée une circulation d’air dans la pièce. Expérience : Montage d’étude du mouvement des courants d’eau chaude. Si on chauffe un point du montage, on constate qu’un courant d’eau apparaît puisque l’encre utilisée se déplace.

La convection est un mode de transfert thermique qui s’effectue avec transport de matière. IV.3 Le rayonnement. Nous avons vu dans l’enseignement de tronc commun que « tout corps chaud émet de la lumière ». On voit bien ici qu’il y a une relation directe entre la lumière et l’échange thermique. En effet, un corps chaud qui refroidit s’éteint. Question : Comment vous y prendriez-vous pour montrer que le rayonnement est un autre mode de transfert d’énergie thermique. Réponses des élèves : Expérience de la loupe qui enflamme du papier ou Expérience des thermomètres devant une lampe.

V Phénomènes climatiques et transferts thermiques. V.1 Les ascendances thermiques. Les ascendances thermiques aussi appelées « pompes » dans le jargon de l’aviation sont en réalité des courants d’air chaud montant depuis le sol terrestre. Le sol terrestre présente deux types de zones thermiques :

- les zones chaudes où se concentrent des sources de chaleur (villes, usines, champs de cultures,…), - les zones froides où les sources de chaleur sont absentes (forêts,…).

Les zones chaudes donnent naissance à une bulle d’air chaud qui par convection s’élève dans les airs et crée une véritable colonne montante d’air chaud. Cependant, en prenant de l’altitude l’air se refroidit. Par convection à nouveau l’air froid retombe. Les ascendances thermiques sont très utiles dans le cas du vol d’un planeur. En effet, un planeur est un avion sans moyen de propulsion qui ne cesse de descendre. Pour pouvoir prendre de l’altitude en vol, le pilote doit se servir des ascendances thermiques.

V.2 Les brumes et brouillards. On parle de brume lorsque la visibilité horizontale est comprise entre 1 et 2 km. On parle de brouillard lorsque la visibilité horizontale est inférieure à 1 km. Les brumes et brouillards résultent de la condensation (gaz � solide) de l’humidité de l’air lorsque ce dernier est refroidi. Le refroidissement responsable de l’apparition des brumes et brouillards peut se réaliser de différentes façons :

- A la tombée de la nuit, en l’absence des rayon solaires, il arrive souvent que l’air se refroidisse suffisamment au contact d’un sol froid pour que la condensation ait lieu et qu’une brume ou un brouillard apparaisse. Le lendemain matin, si le sol ne se réchauffe pas suffisamment, le phénomène peut persister.

- De même, il arrive q’une brume ou un brouillard soit dû au mélange de deux masses d’air de températures différentes d’humidités relatives importantes. Il se forme dans la zone de mélange située de part et d’autre du front de contact des deux masses d’air.

En vol, les brouillards de pente accrochés au relief sont les plus dangereux car ils dissimulent au pilote les reliefs montagneux. V.3 Les différents types de précipitations. Certains nuages à extension verticale peuvent atteindre des hauteurs de 5000 m. Bien entendu, plus on s’élève, plus la température diminue. On peut alors faire le lien entre les différents types de précipitations et le diagramme de changement d’état d’un corps vu précédemment. Les différentes particules chutent dés que leur diamètre est égal ou supérieur à 100 micromètres.