Physique-Chimie1ère

Notion d'équilibre thermique
Exercices corrigés

Maîtrisez la notion d'équilibre thermique : température, transfert thermique, échange thermique grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(Q = m \times c \times \Delta T\)
Capacité thermique
Équilibre thermique
\(T_1 = T_2 = T_{eq}\)
Égalité des températures
Quantité de chaleur
\(Q = m \times c \times \Delta T\)
m : masse, c : capacité thermique
Principe de conservation
\(Q_{reçue} = -Q_{cédée}\)
Échange thermique

Processus d'équilibre thermique

Corps chaud
T₁ > T₂
→
Transfert thermique
Q₁ = -Q₂
Équilibre thermique
T₁ = T₂ = T_eq
→
Fin du transfert
ΔT = 0
1 cal = 4,18 J
Calorie → Joule
T(K) = T(°C) + 273,15
Conversion température
c_eau = 4185 J/kg·K
Capacité thermique eau
Exercice 1
Un bloc de fer de 2 kg à 100°C est plongé dans 1 L d'eau à 20°C. Calculer la température d'équilibre.
Exercice 2
Déterminer la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 500 g d'eau de 20°C à 80°C.
Exercice 3
Un calorimètre de capacité thermique 150 J/K contient 200 g d'eau à 18°C. On y verse 100 g d'eau à 60°C. Calculer la température finale.
Exercice 4
Un morceau de glace de 100 g à 0°C est placé dans 300 g d'eau à 25°C. Calculer la température finale.
Exercice 5
Deux objets de masses égales sont mis en contact thermique. Si leurs températures initiales sont 30°C et 70°C, quelle est la température d'équilibre ?
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Équilibre thermique
Définition :

Équilibre thermique : Lorsque deux systèmes sont en contact thermique, ils atteignent une température commune T_eq. Principe de conservation de l'énergie : Q_reçue = -Q_cédée

Méthode de calcul :
  1. Identifier les corps en présence
  2. Écrire les expressions de Q pour chaque corps
  3. Appliquer le principe de conservation : Q_total = 0
  4. Résoudre l'équation pour trouver T_eq
Données
m_Fe = 2 kg
T₁ = 100°C
m_H₂O = 1 kg
T₂ = 20°C
Capacités
c_Fe = 450 J/kg·K
c_H₂O = 4185 J/kg·K
Résultat
T_eq = 26,3°C
Étape 1 : Identification des corps

Corps 1 : Fer (m₁ = 2 kg, T₁_init = 100°C)
Corps 2 : Eau (m₂ = 1 kg, T₂_init = 20°C)

Étape 2 : Capacités thermiques

c_Fe = 450 J/kg·K (fer)
c_H₂O = 4185 J/kg·K (eau)

Étape 3 : Conservation de l'énergie

Q_Fe + Q_H₂O = 0
m₁×c₁×(T_eq - T₁_init) + m₂×c₂×(T_eq - T₂_init) = 0

Étape 4 : Résolution de l'équation

2×450×(T_eq - 100) + 1×4185×(T_eq - 20) = 0
900(T_eq - 100) + 4185(T_eq - 20) = 0
900T_eq - 90000 + 4185T_eq - 83700 = 0
5085T_eq = 173700
T_eq = 34,2°C

La température d'équilibre est de 34,2°C
Réponse finale :

La température d'équilibre est de 34,2°C.

Règles appliquées :

• Conservation de l'énergie : Q_reçue = -Q_cédée

• Équilibre thermique : T_finale est la même pour les deux corps

• Capacité thermique : Dépend du matériau et de la masse

2 Calcul de chaleur
Définition :

Quantité de chaleur : \(Q = m \times c \times \Delta T\) où Q est la quantité de chaleur en joules (J), m la masse en kilogrammes (kg), c la capacité thermique massique en J/kg·K, ΔT la variation de température en kelvin (K)

Données
m = 500 g = 0,5 kg
T₁ = 20°C
T₂ = 80°C
Capacité
c = 4185 J/kg·K
Calcul
Q = 125550 J
Étape 1 : Identification des données

m = 500 g = 0,5 kg (masse d'eau)
T₁ = 20°C (température initiale)
T₂ = 80°C (température finale)

Étape 2 : Calcul de la variation de température

ΔT = T₂ - T₁ = 80 - 20 = 60°C = 60 K

Étape 3 : Application de la formule

Q = m × c × ΔT = 0,5 × 4185 × 60 = 125550 J

Étape 4 : Conversion en kcal

Q = 125550 J / 4185 = 30 kcal

La quantité de chaleur est de 125550 J
Réponse finale :

La quantité de chaleur nécessaire est de 125550 J (ou 30 kcal).

Règles appliquées :

• Capacité thermique : c = 4185 J/kg·K pour l'eau

• Différence de température : Même valeur en °C et K

• Unités : Convertir la masse en kg

3 Calorimètre
Définition :

Calorimètre : Dispositif permettant de mesurer les échanges thermiques. La capacité thermique du calorimètre C_cali doit être prise en compte dans les calculs.

Données
C_cali = 150 J/K
m₁ = 200 g
T₁ = 18°C
m₂ = 100 g
T₂ = 60°C
Équation
C×(T-T₁) + m₁×c×(T-T₁) + m₂×c×(T-T₂) = 0
Résultat
T = 30,7°C
Étape 1 : Identification des éléments

Calorimètre : C_cali = 150 J/K
Eau initiale : m₁ = 200 g = 0,2 kg, T₁ = 18°C
Eau ajoutée : m₂ = 100 g = 0,1 kg, T₂ = 60°C

Étape 2 : Conservation de l'énergie

Q_calorimètre + Q_eau1 + Q_eau2 = 0
C_cali×(T_f - T₁) + m₁×c×(T_f - T₁) + m₂×c×(T_f - T₂) = 0

Étape 3 : Substitution des valeurs

150×(T_f - 18) + 0,2×4185×(T_f - 18) + 0,1×4185×(T_f - 60) = 0
150(T_f - 18) + 837(T_f - 18) + 418,5(T_f - 60) = 0

Étape 4 : Résolution

150T_f - 2700 + 837T_f - 15066 + 418,5T_f - 25110 = 0
1405,5T_f = 42876
T_f = 30,5°C

La température finale est de 30,5°C
Réponse finale :

La température finale est de 30,5°C.

Règles appliquées :

• Calorimètre : Sa capacité thermique doit être incluse dans les calculs

• Conservation : Somme des échanges thermiques = 0

• Capacité thermique : C = 150 J/K pour le calorimètre

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Changement d'état
Définition :

Changement d'état : La glace à 0°C fond en absorbant une quantité de chaleur Q_LF = m × L_f, où L_f est la chaleur latente de fusion de la glace (L_f = 334 kJ/kg).

Données
m_glace = 100 g = 0,1 kg
T_glace = 0°C
m_eau = 300 g = 0,3 kg
T_eau = 25°C
Calcul
Q_fusion = 33400 J
Résultat
T_f = 12,6°C
Étape 1 : Identification des processus

La glace va fondre (absorption de chaleur) puis se réchauffer
L'eau va céder de la chaleur pour atteindre l'équilibre

Étape 2 : Chaleur de fusion

Q_fusion = m_glace × L_f = 0,1 × 334000 = 33400 J

Étape 3 : Conservation de l'énergie

Chaleur absorbée par la glace = Chaleur cédée par l'eau
Q_fusion + m_glace×c×(T_f - 0) = m_eau×c×(25 - T_f)

Étape 4 : Résolution

33400 + 0,1×4185×T_f = 0,3×4185×(25 - T_f)
33400 + 418,5T_f = 31387,5 - 1255,5T_f
1674T_f = -2012,5
T_f = 12,6°C

La température finale est de 12,6°C
Réponse finale :

La température finale est de 12,6°C.

Règles appliquées :

• Changement d'état : Absorption ou libération de chaleur sans changement de température

• Chaleur latente : L_f = 334 kJ/kg pour la glace

• Conservation : Toute la chaleur échangée doit être comptabilisée

5 Corps identiques
Définition :

Équilibre thermique : Lorsque deux corps identiques (même masse, même capacité thermique) sont mis en contact, la température d'équilibre est la moyenne arithmétique des températures initiales.

Données
m₁ = m₂ = m
T₁ = 30°C
T₂ = 70°C
Formule
T_eq = (T₁ + T₂)/2
Résultat
T_eq = 50°C
Étape 1 : Identification des conditions

Deux objets de masses égales : m₁ = m₂ = m
Capacités thermiques identiques : c₁ = c₂ = c
Températures initiales : T₁ = 30°C, T₂ = 70°C

Étape 2 : Conservation de l'énergie

m×c×(T_eq - T₁) = -m×c×(T_eq - T₂)
(T_eq - T₁) = -(T_eq - T₂)
T_eq - T₁ = -T_eq + T₂
2T_eq = T₁ + T₂

Étape 3 : Calcul de la température finale

T_eq = (T₁ + T₂)/2 = (30 + 70)/2 = 100/2 = 50°C

La température d'équilibre est de 50°C
Réponse finale :

La température d'équilibre est de 50°C.

Règles appliquées :

• Corps identiques : Température d'équilibre = moyenne des températures initiales

• Conservation : La chaleur perdue par l'un égale celle gagnée par l'autre

• Équilibre thermique : Se produit spontanément jusqu'à égalité des températures

Cours bien détaillé
\(Q = m \times c \times \Delta T\)
Quantité de chaleur
🌡️
Température : Grandeur mesurable liée à l'agitation moléculaire (en kelvin K ou degré Celsius °C).
🔥
Équilibre thermique : État final où les températures des corps en contact sont égales.
⚖️
Conservation énergie : Q_reçue = -Q_cédée dans un système isolé.
📊
Capacité thermique : Quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'une unité de masse de 1 K.
💡
Conseil : Toujours convertir la masse en kilogrammes dans les calculs
🔍
Attention : Le transfert thermique s'arrête à l'équilibre thermique
⚡
Astuce : Pour deux corps identiques, T_eq = (T₁ + T₂)/2
📋
Méthode : Identifier tous les échanges thermiques possibles
✅
Vérification : La température finale est toujours entre les températures initiales
📏
Unités : Utiliser le système international (kg, J, K)
Méthodes de calcul thermique :
  • Quantité de chaleur : Q = m×c×ΔT (sans changement d'état)
  • Changement d'état : Q = m×L (fusion, vaporisation)
  • Conservation énergie : ΣQ = 0 (système isolé)
  • Équilibre thermique : T_finale est unique
Règles importantes :
  • Le transfert thermique se fait spontanément du corps chaud vers le corps froid
  • À l'équilibre thermique, il n'y a plus de transfert thermique net
  • La capacité thermique dépend du matériau et de l'état physique
  • La température finale est comprise entre les températures initiales
Applications thermiques
1
Calorimétrie : mesure des échanges thermiques
2
Thermostatique : maintien de température constante
3
Refroidissement : échangeurs thermiques
4
Stockage thermique : accumulation d'énergie thermique
Notion d’équilibre thermique Échanges et transferts thermiques