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Plus la température est élevée et plus les particules ont des mouvements agités 2) Equilibre thermique de deux corps : Si on met en contact un corps froid avec un 

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Définitions La température est la mesure du degré de chaleur ou de froid d'une substance La température d'une substance est liée à sa composition

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échelles de température : Celsius et Kelvin • Savoir que la chaleur est un mode de transfert de l'énergie • Savoir que la quantité de chaleur s'exprime en Joule

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La température ○ La tension (ou pression) artérielle ○ Le pouls et la saturation ○ La diurèse ○ Le traitement ○ L'évaluation de la douleur II- LA FEUILLE 

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solide et le milieu environnant (rayonnement, conduction, convection, chan- gements d'état), cet article décrit les qualités que doit posséder l'abri météo- rologique 

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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 R

CTN 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 R

CTN = 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 :

qq××=beaR)(

15,273+=qT

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.

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