B.1 · Transferts d'énergie thermique

Cette fiche couvre des sujets HL sélectionnés pour le cours évalué pour la première fois en 2025 ; elle ne représente pas l'intégralité du programme.

Prérequis : lire les quantités et unités indiquées, puis utiliser l'arithmétique et les conditions du modèle ci-dessous.

Les exemples sont originaux et fictifs : ils ne correspondent ni à de vraies mesures ni à de véritables enquêtes d'étudiants.

Qu'est-ce qui expliquerait cette observation ?

• Deux masses égales reçoivent la même énergie mais présentent des augmentations de température différentes. Les propriétés du matériau déterminent comment le transfert d'énergie modifie la température.

Construire le modèle

• La capacité thermique massique est l'énergie nécessaire pour élever la température d'une unité de masse d'un degré.
• La chaleur latente spécifique relie l'énergie au changement d'état sans variation de température pour le processus idéalisé.
• Capacité thermique massique : Énergie par masse par élévation de température.
• Chaleur latente : Énergie associée à un changement d'état.

Choisir des preuves capables de le tester

• La température est liée au mouvement des particules dans un modèle ; l'énergie interne comprend les contributions cinétiques et potentielles.
• Lors d'un changement d'état, l'énergie peut modifier l'agencement des particules plutôt que la température.

En laboratoire : Mesurez la masse, l'apport électrique et la variation de température d'un bloc isolé. Assurez-vous que le capteur de température est bien en contact, laissez le temps de l'équilibre, et tenez compte de l'énergie transférée vers l'environnement.

Travailler à partir de quantités connues

• Connus : un bloc de 0.50 kg gagne 2,000 J et sa température augmente de 10 °C.
• Utilisez E = mcΔT.
• En réarrangeant, on obtient c = E/(mΔT). c = 2,000/(0.50×10) = 400 J par kilogramme par degré.
• Les pertes de chaleur rendraient la valeur déduite de l'apport électrique trop élevée.

À vous : Un échantillon de 2 kg avec c=500 J par kilogramme par degré se réchauffe de 3 °C. Trouvez le gain d'énergie.

Vérifier la conclusion et ses limites

• Une section plate d'une courbe de chauffage peut indiquer un changement de phase, et non une absence de transfert d'énergie.
• Ne remplacez pas la température par une différence de température dans E = mcΔT.

Pas vrai : Un plateau de température signifie toujours zéro transfert d'énergie. Un plateau sur une courbe de chauffage marque un changement de phase, où l'énergie sert à modifier l'agencement des particules sous forme de chaleur latente. Le transfert d'énergie se poursuit ; seule la température stagne.

Clé :

• La capacité thermique massique est l'énergie nécessaire pour élever la température d'une unité de masse d'un degré.
• La température est liée au mouvement des particules dans un modèle ; l'énergie interne comprend les contributions cinétiques et potentielles.
• Surveillez : Une section plate d'une courbe de chauffage peut indiquer un changement de phase, et non une absence de transfert d'énergie.

Rédigez à partir d'un gain d'énergie de 1800 J

• Un échantillon de 0.20 kg avec une capacité calorifique massique de 1500 J par kilogramme par degré se réchauffe de 6 degrés.
• Trouver le gain d'énergie. Un plateau de température peut encore transférer de l'énergie.

Rédigez à partir d'une température finale de mélange

• 0.20 kg d'eau à 80 °C se mélangent avec 0.20 kg à 20 °C (c = 4,200 J par kg par degré).
• Masses égales, même c : la température finale est la moyenne, 50 °C — le chaud perd 0.20 × 4,200 × 30 = 25,200 J, le froid gagne autant.

Rédigez à partir d'une étape latente cachée dans le bilan

• Glace à 0 °C devient eau à 0 °C : la température ne change pas.
• L'énergie entre toujours — sous forme de chaleur latente, rompant les liaisons : un graphique de température avec un palier plat est un bilan énergétique, pas un thermomètre inactif.