Fiche de révision
Physique

Calorimétrie et échanges de chaleur

Mélanger de l’eau chaude et de l’eau froide : quelle température finale ?

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Fiche de révision de Physique : « Calorimétrie et échanges de chaleur », proposée par ndolomath.com

Calorimétrie et échanges de chaleur

💡 Idée principale : dans un calorimètre isolé, la chaleur cédée par les corps chauds est égale à la chaleur reçue par les corps froids. On en déduit températures et capacités thermiques.
Étapes résumées
  1. Chaleur échangée sans changement d’état : Q=mcΔθ.
  2. Dans un système isolé : ∑Q=0.
  3. Changement d’état : Q=mL.
  4. Le calorimètre a sa propre capacité thermique C.

La quantité de chaleur

Formule
Q=mc(θf−θi)
Qchaleur en Jmmasse en kgccapacité thermique massique en J/(kg·°C)

Pour l’eau : c=4185 J/(kg·°C).

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1. Le calorimètre

Récipient isolé : pas d’échange avec l’extérieur.
Un thermomètre suit la température.
Un agitateur homogénéise le mélange.

2. Comprendre : la capacité à stocker la chaleur

Il faut beaucoup d’énergie pour chauffer de l’eau : 4 180 J pour élever 1 kg d’un seul degré. Le fer en demande neuf fois moins. C’est pourquoi une marmite en métal chauffe vite alors que l’eau qu’elle contient met du temps. La capacité thermique massique c caractérise cette propriété de chaque matériau.

Le principe des échanges

Formule
Qcédée+Qreçue=0

Exemple guidé

On mélange 200 g d’eau à 80 °C et 300 g d’eau à 20 °C (calorimètre négligé). Calcule la température d’équilibre.

Solution :
0,2c(θ−80)+0,3c(θ−20)=0.
0,5θ=16+6=22, donc θ=44 °C.
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3. Chaleur latente

Pendant un changement d’état, la température reste constante : Q=mL. Pour la fusion de la glace, Lf=3,34×105 J/kg.

Application : le bain du bébé

Exercice type

Pour le bain, on mélange 4 kg d’eau à 80 °C avec de l’eau à 25 °C. Quelle masse d’eau froide faut-il pour obtenir 37 °C ? (pertes négligées)

Solution :
Chaleur cédée par l’eau chaude : 4×c×(80−37).
Chaleur reçue par l’eau froide : m×c×(37−25).
Égalité : m=4×4312≈14,3 kg.

4. Capacités thermiques massiques

Corpsc (J·kg⁻¹·°C⁻¹)
Eau4 180
Huile2 000
Aluminium900
Fer460
Cuivre390
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À toi de jouer

1. Chaleur pour chauffer 1 kg d’eau de 10 °C (c = 4185) ?
2. Que vaut la somme des chaleurs échangées dans un calorimètre ?
3. Faut-il de la chaleur pour faire fondre la glace ?

Réponses : 41 850 J · 0 · oui, Q = m Lf. Le corrigé détaillé et d’autres exercices de ce chapitre sont dans les exercices corrigés.

Erreurs fréquentes

  • La masse est en kg dans Q=mcΔθ.
  • Le signe de Q indique si la chaleur est reçue (+) ou cédée (−).
  • N’oublie pas la capacité du calorimètre si elle est donnée.

Méthode

Liste chaque corps, écris son Q avec la même température finale inconnue, puis résous ∑Q=0.
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