Lycée Alcide d’Orbigny - 1ère S - M. Pichegru www.pichegru.net Année scolaire 2011

Fiche P6 - Transfert Thermique Données Chaleur latente de fusion de la glace : Lf = 335 kJ·kg-1 Chaleur latente de vaporisation de l’eau : Lv = 2260 kJ·kg-1

Capacité calorifique massique de la glace : cglace = 2,20 kJ·kg-1·K-1 Capacité calorifique massique de l’eau liquide : ceau 4,18 kJ·kg-1·K-1

Exercice 1 Transferts thermiques 1. Donner, pour chaque mode de transfert d’énergie thermique, trois exemples de situations où ils se produisent.

2. Quels sont les modes de transfert mis en jeu dans les situations suivantes :

• L’énergie thermique perdue par un moteur en fonctionnement. • L’énergie thermique gagnée par une personne au soleil / à l’ombre. • L’énergie thermique perdue par de la lave bouillonant dans un cratère de volcan. • L’énergie thermique perdue par un verre de soda dans lequel on a mis deux glaçons.

Exercice 2 Quantité de chaleur 1. Calculer la quantité de chaleur Q1 échangée par 5 L d’eau lors de son passage de 30°C à 100°C.

2. Calculer la quantité de chaleur Q2 échangée par 5 L d’eau lors de son passage de 30°C à 0°C.

4. Calculer la quantité de chaleur Q3 échangée par 5L d’eau à 0°C lors de sa solidification.

5. Calculer la quantité de chaleur Q4 échangée par cette même quantité d’eau, sous forme de glace, pour passer de 0°C à -18°C

6. En déduire la quantité de chaleur Q5 échangée lors du passage de 5 kg d’eau de -18 °C à 100 °C

Exercice 3 Kelvin et degrés Celsius 1.a Convertir en K les températures suivantes : 0°C ; 30°C ; 1500 °C b. Convertir en °C les températures suivantes : 30 K ; 300 K ; 6000 K

Un système passe d’une température θ i = 30°C à θf = 60°C. 2.a Donner les températures initiales Ti et Tf en kelvin, du système. b. Calculer Δθ et ΔT. c. En déduire que les unités J·kg-1·K-1 et J·kg-1·°C-1 sont identiques.

Exercice 4 Produire du froid En quoi l'expression suivante : « un réfrigérateur fourni du froid » et qu'elle est inexacte ? Corriger la phrase en termes de physique.

Exercice 5 Mélanges à différentes températures 1. Calculer la température finale d'un mélange composé de a. 200 g d'eau à 20°C et de 100 g d’eau à 80°C. b. 200 g d’eau à 20°C et de 8 g d’eau à 0°C. c. 200 g d’eau à 20°C et de 8 g de glace à 0°C. d. 200 g d’eau à 20°C et de 8 g de glace à -18°C.

2. Quel volume d'eau à 20°C faut-il rajouter un volume d'eau à 70°C pour obtenir 70 L d'eau à 40°C.

Exercice 6 Solide et liquide Une casserole en aluminum de masse m = 200 g contient m’ = 150 g de vin chaud. La température initiale est de 50°C. On laisse l’ensemble refroidir jusqu’à 40 °C.

1. Dans quel sens s'effectue le transfert thermique ? 2. Quelle est la valeur du transfert thermique ?

Donnée : caluminum = 0,904 kJ·kg-1·°C-1.

Exercice 7 Puissance et transfert thermique Pour maintenir l'intérieur d'une glacière à 0°C, on consomme 2 kg de glasse par jour.

1. Dans quel sens s'effectue le transfert thermique entre le milieu extérieur et la glacière ? 2. Quelle est la puissance thermique moyenne reçue ou donnée par l'ensemble { glacière + glace } ?

Exercice 8 Puissance et transfert thermique (bis) Dans un serpentin plongeant dans un récipient rempli d'eau, arrivent chaque minute une masse de 150 g de vapeur d'eau à 100°C sous la pression de 1 atm. Cette vapeur se condense et l'eau liquide produite ressort à la température de 60°C.

1. Calculer la valeur du transfert thermique cédé en une minute à l'eau du récipient. 2. Quelle est la puissance thermique moyenne reçue par cette eau ?

Exercice 9 Énergie mécanique et thermique On donne trois diagrammes énergétiques représentant l’énergie initaile et l’énergie finale d’un système :

U est l’énergie interne du système, somme des énergies chimiques, thermiques, etc... c-à-d. toute l’énergie que possède le système est qui ne soit pas stockée sous forme d’énergie cinétique ou d’énergie potentielle.

1. Pour lequel de ces systèmes : a. l’énergie mécanique varie-t-elle ? b. l’énergie interne varie-t-elle ?

2. Dans quel cas l’augmentation d’énergie interne est-elle due : a. à une transformation d’énergie mécanique ? b. à un transfert thermique ?

3. Attribuer chacun des diagrammes aux systèmes suivants : a. Solide en chute libre ; b. parachutiste tombant à vitesse constante ; c. casserole sur un feu

Exercice 10 Masse de glaçons pour un soda On veut refroidir jusqu’à la température de 15°C un verre de soda à la température initiale de 30°C. On introduit, pour cela, un masse m de glaçons pris dans un freezer à -5°C. Le produit m·c (appelé capacité thermique) de l’ensemble {verre + soda} vaut 550 J·K-1.

1. Dans quel sens s’effectue le transfert thermique ?

2. Déterminer : a. les étapes du transfert thermique qui accompagnent la transformation et exprimer les variations d’énergie interne correspondantes ; b. la variation d’énergie interne de l’ensemble {verre + soda} c. la variation d’énergie interne {verre + soda + glaçons} en négligeant les transferts thermiques entre le verre et le milieu extérieur ;

3. Calculer la masse de glaçons nécessaire.

Diagramme 1

Ec

U

Epp

Ec

U

Epp

État intial

État final

U

Epp

U

Diagramme 2

Epp

État intial

État final

U

Epp

U

Diagramme 3

Epp

État intial

État final

Ec Ec