Étudiez la température et la chaleur avec la liste des exercices sur: la température et la chaleur de réglage, la dilatation et l'équilibre thermique, les échelles thermométriques, les transferts de chaleur, la chaleur latente et sensible. Il existe plusieurs exercices résolus et commentés pour vous permettre d'apprendre et de résoudre vos doutes.
Exercices sur le réglage de la température et de la chaleur
Exercice 1
Définir et différencier la température et la chaleur.
La température est une mesure de l'état thermique d'un corps physique ou d'un système. Il détermine le degré d'agitation des particules qui composent ce système.
La température est donc une grandeur, quelque chose que l'on peut mesurer. Dans le Système international d'unités, l'unité de mesure de la température est le Kelvin (K). Les autres unités courantes sont Celsius (°C) et Fahrenheit (°F).
La chaleur est le mouvement de l'énergie thermique. L'énergie thermique est transférée des corps plus énergétiques, avec une température plus élevée, vers des corps et des systèmes moins énergétiques, avec une température plus basse. Ce transfert d'énergie s'effectue par des processus tels que: la conduction, la convection et l'irradiation.
La chaleur étant une forme d'énergie, dans le Système international d'unités, elle est mesurée en joules (J). Une autre mesure courante de la chaleur est la calorie (chaux).
le différence principale entre la température et la chaleur est que la température est une mesure de l'état thermique tandis que la chaleur est le transfert d'énergie thermique entre les corps.
Exercice 2
Définir ce qu'est l'équilibre thermique.
L'équilibre thermique est l'état dans lequel différents corps dans le même environnement sont à la même température, c'est-à-dire qu'ils ont le même état thermique.
Étant donné que la chaleur est le transfert d'énergie thermique des corps les plus chauds vers les plus froids, les corps auparavant plus chauds se refroidissent en dégageant de la chaleur. Par contre, les corps qui reçoivent cette chaleur, qui étaient auparavant plus froids, deviennent chauds.
Cette variation de température cesse lorsqu'il n'y a plus de chaleur entre les corps, ce qui signifie qu'il n'y a plus de transfert d'énergie thermique entre eux. Dans cet état, leurs températures sont les mêmes.
Exercice 3
Expliquez le phénomène suivant :
Laura vient de se réveiller et de sortir du lit par une froide journée d'hiver. Après être sortie de son lit chaud, elle pose ses pieds sur la moquette de sa chambre et se sent à l'aise, même pieds nus. Lorsque vous entrez dans la cuisine, vos pieds nus ressentent une sensation de froid en touchant le carrelage.
Tout l'environnement de la maison a été exposé aux mêmes conditions de température tout au long de la nuit. Pourquoi Laura ressent-elle des sensations différentes lorsqu'elle marche pieds nus dans la chambre et dans la cuisine ?
Les sensations de chaud et de froid sont liées à plusieurs facteurs, certains même subjectifs. Différentes personnes peuvent ressentir et percevoir la même température de différentes manières. Or, dans le texte, une même personne a des sensations différentes dans un environnement censé être en équilibre thermique, c'est-à-dire où les corps sont à la même température.
La seule différence est le matériau avec lequel il entre en contact. Le coefficient de conductivité thermique est une propriété des matériaux et indique la facilité avec laquelle l'énergie thermique est transférée. Plus la valeur de conductivité thermique est élevée, plus le transfert d'énergie thermique est facile.
Comme les sols en céramique ont une conductivité thermique plus élevée que les tapis en laine ou en coton, le corps de Laura perd beaucoup. plus d'énergie en marchant dans la cuisine qu'en marchant sur le tapis, ce qui lui fait interpréter que le sol est plus du froid.
Exercices sur l'équilibre thermique
Exercice 4
(IFF 2016) Dans l'activité laboratoire, le professeur de physique propose aux élèves de mélanger 1L d'eau à 100°C avec 500 mL d'eau à 4°C. Cependant, avant de mélanger et de mesurer la température d'équilibre thermique, les élèves doivent calculer la température d'équilibre thermique. Considérons des pertes thermiques négligeables et que le résultat théorique est égal à la valeur expérimentale. On peut dire que cette température d'équilibre est valable :
a) 68°C.
b) 74°C.
c) 80°C.
d) 32°C.
e) 52°C.
Bonne réponse: a) 68°C.
Objectif: déterminer la température d'équilibre thermique ().
Données:
1L = 1000 ml d'eau à 100°C ;
500 ml d'eau à 4°C
Modèle physique et mathématique
A l'équilibre thermique il n'y a plus de transfert d'énergie thermique, donc la somme des chaleurs des portions d'eau à 100°C et 4°C est égale à zéro.
Étant donné que des deux côtés de l'équation, la chaleur spécifique est la même, nous pouvons les annuler.
La température d'équilibre sera donc de 68°C.
Exercices sur les échelles thermométriques
Exercices 5
(SENAC - SP 2013) L'arrivée de l'homme sur la lune s'est produite en 1969. La structure de la lune est rocheuse et n'a pratiquement pas d'atmosphère, ce qui signifie que pendant la journée la température atteint 105 °C et la nuit elle descend à -155 °C.
Cette variation thermique, mesurée sur l'échelle de température Fahrenheit, est valable
a) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Bonne réponse: d) 468.
La relation entre l'échelle Celsius °C et l'échelle °F est donnée par :
Où,
est la variation de température en degrés Celsius et,
est la variation sur Fahrenheit.
La température à la surface lunaire varie entre 105°C et la nuit -155°C. La variation totale est donc de 260°C.
105 - (-155) = 260
En remplaçant dans la formule, on a :
Exercices 6
(UESPI 2010) Un étudiant lit le roman de science-fiction « Fahrenheit 451 » de Ray Bradbury. Dans un certain passage, l'un des personnages prétend que 451 °F est la température sur l'échelle Fahrenheit à laquelle le papier à partir duquel les livres sont fabriqués brûle. L'élève sait qu'à cette échelle, les températures de fusion et d'ébullition de l'eau sont respectivement de 32 °F et 212 °F. Il conclut à juste titre que 451°F est à peu près équivalent à :
a) 100 °C
b) 205 °C
c) 233 °C
d) 305 °C
e) 316 °C
Bonne réponse: c) 233 °C.
Les échelles Celsius et Fahrenheit sont liées par :
Remplacer 451°F par , on a:
Parmi les options de réponse, 233°C est la plus proche.
Exercices 7
(FATEC 2014) Lors d'une course de Formule Indy ou de Formule 1, les pilotes sont soumis à un microenvironnement chaud dans le cockpit qui elle atteint 50°C, générée par diverses sources de chaleur (provenant du soleil, du moteur, du terrain, du métabolisme cérébral, de l'activité musculaire etc.). Cette température est bien supérieure à la température corporelle moyenne tolérable, ils doivent donc toujours être en bonne condition physique.
Les courses de Formula Indy sont plus traditionnelles aux États-Unis, où la lecture de la température est adoptée sur l'échelle Fahrenheit. Sur la base des informations présentées dans le texte, il est correct d'affirmer que la température du cockpit qu'une voiture de Formule Indy atteint pendant la course, en degrés Fahrenheit, est
Données:
Température de fonte des glaces = 32°F;
Température de l'eau bouillante = 212°F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Bonne réponse: d) 122
Pour relier les deux températures, nous utilisons l'équation:
remplacement pour 50 et résoudre pour
, on a:
Par conséquent, la température dans le cockpit à Fahrenheit est de 122°F.
Exercices sur la propagation de la chaleur
Exercice 8
(Enem 2021) Dans un manuel d'instructions pour un réfrigérateur, il y a les recommandations suivantes :
• Gardez la porte de votre réfrigérateur ouverte seulement aussi longtemps que nécessaire;
• Il est important de ne pas obstruer la circulation de l'air avec une mauvaise répartition des aliments sur les étagères ;
• Laissez un espace d'au moins 5 cm entre l'arrière du produit (dissipateur thermique en serpentine) et le mur.
Basées sur les principes de la thermodynamique, les justifications de ces recommandations sont respectivement :
a) Réduire la sortie de froid du réfrigérateur vers l'environnement, assurer la transmission du froid entre les aliments sur l'étagère et permettre l'échange de chaleur entre le dissipateur thermique et l'environnement.
b) Réduire la sortie de froid du réfrigérateur vers l'environnement, garantir la convection de l'air interne, garantir l'isolation thermique entre les parties internes et externes.
c) Réduire le flux de chaleur de l'environnement vers l'intérieur du réfrigérateur, assurer la convection de l'air interne et permettre l'échange de chaleur entre le radiateur et l'environnement.
d) Réduire le flux de chaleur de l'environnement vers l'intérieur du réfrigérateur, assurer la transmission le froid entre les aliments sur l'étagère et permettre l'échange de chaleur entre l'évier et l'environnement.
e) Réduire le flux de chaleur de l'environnement vers l'intérieur du réfrigérateur, garantir la convection de l'air interne et garantir l'isolation thermique entre les parties internes et externes.
Bonne réponse: c) Réduire le flux de chaleur de la pièce vers l'intérieur du réfrigérateur, assurer la convection de l'air intérieur et permettre l'échange de chaleur entre le radiateur et l'environnement.
Garder la porte du réfrigérateur fermée, en n'ouvrant que le nécessaire, empêche l'entrée de chaleur de l'environnement extérieur.
A l'intérieur du réfrigérateur, les échanges thermiques entre l'environnement intérieur froid et les aliments produisent des courants d'air par convection. Ces courants sont nécessaires au refroidissement des aliments.
La chaleur extraite des aliments et échangée avec le réfrigérant du réfrigérateur est transportée vers le dissipateur thermique à l'arrière. Cette chaleur sera échangée avec l'environnement, principalement par convection, il faut donc de l'espace.
Exercice 9
(UEPB 2009) Un enfant qui aimait le brigadeiro a décidé de faire ce bonbon, et pour cela il a commencé à séparer les ingrédients et les ustensiles. Au début, il a pris la boîte de lait concentré, le chocolat en poudre et la margarine, puis une casserole et une cuillère en acier et un ouvre-boîte. L'enfant a percé un trou dans la boîte afin de drainer le lait concentré dans la casserole. Sa mère, voyant cette attitude, suggéra au fils de percer un autre trou dans le bidon, afin qu'il puisse retirer ce liquide plus facilement. En mettant la marmite sur le feu pour remuer le brigadeiro, l'enfant sentit qu'au bout de quelques minutes, le manche de la cuillère s'était réchauffé et se plaignit: « Maman, la cuillère me brûle la main ». Alors, sa mère lui a demandé d'utiliser une cuillère en bois pour éviter une brûlure.
À propos du réchauffement de la cuillère mis en évidence dans la plainte de l'enfant selon laquelle sa main brûlait, nous pouvons dire que
a) avec une cuillère en bois, qui est un excellent isolant thermique, elle chauffe plus vite qu'une cuillère en acier.
b) cela se produit parce que les particules qui composent la cuillère créent des courants de convection, la chauffant complètement, d'un bout à l'autre.
c) en raison de l'irradiation, la cuillère chauffe complètement, d'un bout à l'autre.
d) avec une cuillère en bois, qui est un excellent conducteur thermique, il chauffe plus vite qu'une cuillère en acier.
e) cela se produit parce que les particules qui composent la cuillère commencent à conduire la chaleur qui y est absorbée d'un bout à l'autre.
Bonne réponse: e) cela se produit parce que les particules qui composent la cuillère commencent à conduire la chaleur qui y est absorbée d'un bout à l'autre.
Le processus de propagation de la chaleur est la conduction. Seule l'énergie est transférée d'une particule à son environnement. Les métaux sont d'excellents transmetteurs de chaleur.
Exercice 10
(Enem 2016) Lors d'une expérience, un enseignant dépose deux plateaux de même masse, l'un en plastique et l'autre en aluminium, sur la table du laboratoire. Au bout de quelques heures, il demande aux élèves d'évaluer la température des deux plateaux, à l'aide du toucher. Ses étudiants affirment catégoriquement que le plateau en aluminium est à une température plus basse. Intrigué, il propose une deuxième activité, dans laquelle il place un glaçon sur chacun des plateaux, qui sont en équilibre thermique avec l'environnement, et leur demande à quel taux de fonte de la glace sera plus grand.
L'élève qui répond correctement à la question du professeur dira que la fonte se produira
a) plus rapide sur le plateau en aluminium, car il a une conductivité thermique plus élevée que le plastique.
b) plus rapide sur le plateau en plastique, car il a initialement une température plus élevée que celui en aluminium.
c) plus rapide sur le plateau en plastique, car il a une capacité thermique plus élevée que celui en aluminium.
d) plus rapide sur le plateau en aluminium, car il a une chaleur spécifique inférieure à celui en plastique.
e) avec la même vitesse sur les deux plateaux, car ils auront la même variation de température.
Bonne réponse: a) plus rapide sur le plateau en aluminium, car il a une conductivité thermique plus élevée que le plastique.
La glace fond plus rapidement dans le bac qui transfère la chaleur à un taux plus élevé, c'est-à-dire plus rapidement. Comme les métaux ont une plus grande conductivité thermique, le plateau en aluminium transfère plus de chaleur à la glace et elle fondra plus rapidement.
Exercice 11
(Enem 2021) Dans la ville de São Paulo, les îlots de chaleur sont responsables du changement de direction du flux de la brise marine qui devrait atteindre la région du printemps. Mais lors de la traversée de l'îlot de chaleur, la brise marine rencontre désormais un flux d'air vertical, qui transfère pour elle l'énergie thermique absorbée par les surfaces chaudes de la ville, la déplaçant vers les hauts lieux altitudes. De cette façon, il y a de la condensation et de fortes pluies dans le centre de la ville, au lieu de dans la région du printemps. L'image montre les trois sous-systèmes qui échangent de l'énergie dans ce phénomène.
Ces mécanismes sont respectivement
a) irradiation et convection.
b) irradiation et irradiation.
c) conduction et irradiation.
d) convection et irradiation.
e) convection et convection.
Bonne réponse: a) irradiation et convection.
L'irradiation est le processus de transfert de chaleur entre le soleil et les villes. Dans ce processus, la chaleur est transférée par rayonnement électromagnétique.
La convection est le processus de transfert de chaleur entre les îlots de chaleur et la brise marine. Dans ce processus, la chaleur est transférée par un milieu fluide, dans ce cas, l'air, à travers ses mouvements. En convection, l'air chaud qui se dilate, devient moins dense et monte. L'air plus frais à haute altitude, plus dense, descend en créant des courants d'air qui échangent de la chaleur.
Exercices sur la chaleur latente et la chaleur sensible
Exercice 12
(Enem 2015) Les températures de combustion élevées et la friction entre ses pièces mobiles sont quelques-uns des facteurs qui provoquent le réchauffement des moteurs à combustion interne. Pour éviter la surchauffe et les dommages consécutifs à ces moteurs, des systèmes de refroidissement actuels ont été développés, dans lesquels un fluide refroidisseur aux propriétés spéciales circule à l'intérieur du moteur, absorbant la chaleur qui, en passant par le radiateur, est transférée au atmosphère.
Quelle propriété le liquide de refroidissement doit-il avoir pour remplir sa fonction le plus efficacement possible ?
a) Chaleur spécifique élevée.
b) Chaleur latente de fusion élevée.
c) Faible conductivité thermique.
d) Basse température d'ébullition.
e) Coefficient de dilatation thermique élevé.
Bonne réponse: a) Chaleur spécifique élevée.
La chaleur spécifique est une propriété du matériau, dans ce cas, le liquide de refroidissement. Il indique la quantité de chaleur qu'il faut recevoir ou donner pour une unité de masse, pour faire varier une unité de température.
En d'autres termes, plus la chaleur spécifique est élevée, plus il peut recevoir de chaleur sans trop augmenter sa température. Les substances à chaleur spécifique élevée sont moins sensibles aux changements de température.
De cette façon, le liquide de refroidissement avec une chaleur spécifique élevée peut "récupérer" une plus grande quantité d'énergie thermique du moteur sans bouillir.
Exercice 13
(FATEC 2014) Dans un cours de la discipline Physique du cours Soudage à Fatec, l'enseignant responsable reprend avec les élèves un sujet qu'ils avaient vu au lycée. Explique comment effectuer l'analyse d'un graphe de changement d'état d'une substance pure hypothétique donnée. Pour cela, il suffit d'évaluer les grandeurs physiques représentées sur les axes et le graphe formé par la relation entre ces grandeurs. Dans ce graphique, la section qui présente une inclinaison indique un changement de température dû à l'absorption d'énergie, et celle qui présente un plateau (section horizontale) indique un changement d'état dû à l'absorption d'énergie.
Après cette explication, il demande aux élèves quelle a été la quantité totale d'énergie absorbée par le substance entre la fin du changement d'état pour le liquide, jusqu'à la fin du changement d'état pour le gazeux.
La bonne réponse à cette question, en calories, est
a) 2000.
b) 4000.
c) 6 000.
d) 10 000.
e) 14 000.
Bonne réponse: d) 10 000.
Ce changement a lieu entre 4000 et 14000 calories. La substance est entièrement à l'état liquide lorsque la rampe démarre après le premier plateau. La transformation de la phase liquide à la phase gazeuse a lieu sur le deuxième plateau.
Exercices sur la dilatation thermique
Exercice 14
(URCA 2012) Le rayon de la base d'un cône métallique, dont la densité est égale à 10 g/cm3, a à 0°C une longueur initiale Ro = 2 cm. En chauffant ce cône jusqu'à une température de 100°C, sa hauteur varie Δh = 0,015 cm. Avec une masse conique de 100 g, le coefficient de dilatation linéaire moyen du matériau est :
Bonne réponse:
Objectif: déterminer le coefficient de dilatation linéaire ().
Données = 0,015 cm
Rayon initial, = 2 cm = 100°C
masse, m = 100 g
densité, d = 10 g/cm3
Modèle mathématique et physique de la dilatation thermique linéaire
Où, est le coefficient de dilatation linéaire.
est la variation de hauteur.
est la hauteur de départ.
est la variation de température.
Isoler ,
et
Ils sont fournis. De cette façon, pour déterminer
, il faut déterminer
.
Déterminer utilisons les rapports de volume et de densité.
volume du cône
Densité
Isoler le V,
Substituer la valeur de V et r dans l'équation du volume et faire = 3,
Maintenant, nous pouvons remplacer dans l'équation du coefficient de dilatation thermique,
se transformer en notation scientifique
0,0006 =
en savoir plus sur
- chaleur et température.
- propagation de la chaleur
- chaleur sensible
- Chaleur spécifique
- L'énérgie thermique
- Dilatation thermique
- Capacité thermique
- conduction thermique
- Convection thermique
- Irradiation thermique