Module 4 - Thermique : Température et changement d'état

Thermique

Température et changement d'état

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Niveau Professionnel CAP

Compétences travaillées

Réaliser : - Mettre en œuvre les étapes d'une démarche - Mettre en œuvre un protocole expérimental en respectant les règles de sécurité - Organiser son poste de travail - Effectuer des procédures courantes - Utiliser un modèle - Représenter - Calculer - Mettre en œuvre des algorithmes - Expérimenter

Analyser- Raisonner : - Emettre des conjectures, formuler des hypothèses - Choisir une méthode de résolution, un protocole - Elaborer tout ou partie d'un protocole - Compléter une méthode de résolution - Choisir des lois pertinentes - Evaluer des ordres de grandeurs (pour choisir des appareils adaptés)

S'approprier : - Rechercher, extraire et organiser l'information - Traduire des informations, des codages

Valider : - Critiquer un résultat (signe, ordre de grandeur, identification des sources d'erreur), argumenter - Contrôler la vraisemblance d'une conjecture - Valider ou invalider un modèle, une hypothèse - Conduire un raisonnement logique et suivre des règles établies pour parvenir à une conclusion

Communiquer : A l'écrit comme à l'oral : - Rendre compte d'un résultat en utilisant un vocabulaire adapté et des modes de représentation appropriés - Expliquer une démarche

Objectifs

• Savoir que la chaleur est un mode de transfert d’énergie (transfert thermique) entre deux corps de températures différentes.

• Savoir que l’élévation ou la diminution de température d’un corps nécessite un apport ou une perte d’énergie.

• Mesurer des températures. • Convertir une mesure de température. • Etudier l’évolution de la température d’un corps pur puis celle d’un mélange au cours de différents types de changements d’état.

Echanges d'énergie et équilibre thermique

Changements d'états de la matière

Echelles de température et mesures

Echelles de température et mesures

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Pour commencer

Les échelles de température

• En France on utilise l’échelle de température Celsius dont l’unité est le degré Celsius (°C). Cette échelle a été proposée en 1742 par l'astronome suédois Anders Celsius. L'échelle de Celsius, autrefois appelée échelle centésimale, assigne la graduation zéro (0 °C) à la glace fondante et la graduation cent (100 °C) à l'eau bouillante.

• Aux États-Unis et dans les pays anglo-saxons, on utilise l’échelle de température Fahrenheit dont l’unité est le degré Fahrenheit (°F). L'échelle Fahrenheit est une échelle de température qui a été proposée par le physicien allemand Daniel Gabriel Fahrenheit en 1724. L'échelle Fahrenheit assigne la graduation 32 °F à la glace fondante et 212 °F à l'eau bouillante.

• L’échelle utilisée par les scientifiques est l’échelle de température absolue Kelvin dont l’unité est le kelvin (K). C'est William Thomson (Lord Kelvin) qui a présenté cette échelle qui prend comme zéro (0) la température la plus basse que l'on puisse concevoir théoriquement, pour la première fois en 1848.

Les thermomètres

• La température est une grandeur physique qui exprime la quantité de chaleur présente dans un système. Pour mesurer une température, on utilise un thermomètre.
• Il existe plusieurs technologies et instruments utilisés pour mesurer la température: chaque outil a ses propres caractéristiques uniques en termes de précision, de facilité d’utilisation et de coût. Le choix de l’instrument le plus approprié pour mesurer la température dépend de l’application spécifique et des besoins du projet.
• Il existe différents types de thermomètre :

- les plus utilisés sont à liquide ou électroniques. Les thermomètres à liquide usuels sont à mercure ou à alcool (voire à l’huile de colza). Les thermomètres électroniques fonctionnent quant à eux selon divers principes . - le thermocouple, basé sur l’effet Seebeck, est constitué de deux fils de métaux ou alliages différents A et B, ayant chacun une extrémité soudée et plongée dans le milieu à mesurer. Il se crée alors une tension UAB entre les deux autres extrémités ; – la thermistance est basée sur la variation (plus importante) de la résistance d’autres matières (oxydes métalliques, composites) en fonction de la température. Il existe deux types de capteurs : CTP (coefficient de température positive) et CTN (coefficient de température négative) ; – la thermosonde à résistance de platine est un type de thermistance permettant de mesurer la température. Elle est basée sur le fait que la résistance électrique du platine varie selon la température. La sonde Pt–100 possède une résistance de 100 ohms à la température de 0 °C ;

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Le transferts d'énergie et équilibre thermique :

Lorsque 2 corps, qui sont à des températures différentes, entrent en contact, ils échangent de l’énergie thermique : c’est ce transfert d’énergie thermique que l’on appelle chaleur. Lors de cet échange, il y a variation de la température de chaque corps : quand les températures sont égales, les deux corps sont en état d’équilibre thermique. Remarque : Le transfert de chaleur se fait toujours du chaud vers le froid.

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Les différents types de changement d’état

L’agitation thermique des particules (atomes ou molécules) est plus ou moins importante suivant l’état de la matière :

• lorsque la matière est à l’état solide, les particules vibrent sur place mais ne se déplacent pas ;
• à l’état liquide, la structure n’est plus ordonnée et les particules se déplacent de façon limitée ;
• à l’état gazeux, les particules ont un mouvement très désordonné, elles se déplacent vite et sont assez éloignées les unes des autres.

Lors de changements d’état correspondant à un passage vers une agitation plus faible des particules (solidification, condensation, liquéfaction), la matière libère de l’énergie et sa température baisse. Lors de changements d’état correspondant à un passage vers une agitation plus importante des particules (sublimation, vaporisation, fusion), la matière reçoit de l’énergie et sa température augmente.

Les changements d’état et leurs courbes

Pour un corps pur, c’est-à-dire un corps ne contenant qu’une seule espèce chimique, comme l’eau, le changement d’état se fait à température constante. La température de fusion et de solidification est la même, il y a un palier sur la courbe. En revanche, pour un mélange, il n’y a pas de palier lors des changements d’état, et les températures de fusion et de solidification ne sont pas les mêmes.

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Carte mentale pour retenir autrement...

TRANSVERSALITE

Pour mieux comprendre quel lien a le thermique avec votre profession... sélectionner le pôle correspondant à votre métier.

Pôle métiers du bâtiment

Pôle métiers de l'automobile

Pôle métiers du soin à la personne

Pôle métiers de bouche

Pôle métiers du tertiaire

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Vous pouvez compléter votre module et finir les exercices. On se retrouve la prochaine fois pour un autre thème.

Thermomètre à liquide

Thermomètres à capteurs

Thermomètre électronique

1️⃣ Coiffure 💇‍♀️🔥 Température et soins capillaires ✅ Appareils chauffants : Sèche-cheveux, fers à lisser/boucler, casques chauffants fonctionnent par transfert de chaleur pour modifier la structure du cheveu. ✅ Température de l’eau : - Eau chaude → Ouvre les écailles du cheveu pour mieux absorber les soins. - Eau froide → Referme les écailles pour plus de brillance. Changements d’état et produits coiffants 💨 Vaporisation : - Les laques et sprays capillaires contiennent des solvants qui s’évaporent rapidement. - La vapeur d’eau du sèche-cheveux aide à hydrater ou à fixer une coiffure. ❄ Solidification/Fusion : - Les cires et gels coiffants fondent à la chaleur des mains et se solidifient en refroidissant. 2️⃣ Esthétique 💆‍♀️🌡 Température et soins esthétiques ✅ Soin de la peau : - Bains de vapeur → Ouverture des pores avant un soin du visage. - Eau froide → Tonifie la peau et resserre les pores après un soin. ✅ Épilation : - Cire chaude (fusion à haute température, solidification en refroidissant) pour retirer les poils. - Cryothérapie (froid) pour apaiser la peau après une épilation ou un soin. ✅ Massage aux pierres chaudes : Les pierres en basalte emmagasinent la chaleur et la diffusent lentement sur la peau pour détendre les muscles. Changements d’état et produits cosmétiques 💨 Évaporation : - Parfums et lotions s’évaporent rapidement en raison de la volatilité de l’alcool. - Masques à base d’eau qui sèchent en surface. ❄ Solidification/Fusion : - Les beurres corporels et huiles solides fondent à la chaleur de la peau. - Certains masques de soin changent de texture en séchant. 3️⃣ Petite Enfance 👶🍼 Température et confort des enfants ✅ Biberons et repas : - Le lait infantile doit être chauffé à température adaptée (37°C) pour éviter les brûlures. - Conservation des aliments par le froid (réfrigérateur, congélation). ✅ Température corporelle : - Surveillance de la fièvre avec un thermomètre. - Bains tièdes pour éviter les chocs thermiques. ✅ Habillage et environnement : - Adapter les vêtements à la température ambiante. - Utilisation de couvertures thermiques ou de gigoteuses selon la saison. Changements d’état et hygiène ✅ Stérilisation des biberons : - Chauffage de l’eau pour tuer les bactéries. - Vapeur d’eau utilisée pour désinfecter. ✅ Évaporation et transpiration : La sueur s’évapore pour aider à réguler la température corporelle du bébé. 🔎 Conclusion Dans ces métiers, la gestion de la température et des changements d’état est essentielle pour garantir : ✅ L’efficacité des soins et produits (coiffure, esthétique). ✅ Le confort et la sécurité des clients et enfants. ✅ Une bonne hygiène et stérilisation (petite enfance, esthétique). 👉 La maîtrise de ces notions permet aux professionnels d’améliorer le bien-être et la satisfaction de leurs clients et patients ! 🌡💆‍♀️👶

Les notions de température et changements d’état sont essentielles dans les métiers de bouche (boucher, boulanger, pâtissier, cuisinier, barman). Elles influencent la cuisson, la conservation des aliments, la texture des préparations et la sécurité alimentaire. 1️⃣ Cuisson et transformation des aliments 🍳🔥 La température influence la texture, la couleur et le goût des aliments en provoquant des changements physiques et chimiques. 💨 Évaporation : - Cuisson des sauces et réductions → L’eau s’évapore, concentrant les saveurs. - Pain et pâtisserie → L’eau contenue dans la pâte s’évapore et crée une croûte croustillante. 🔥 Fusion : - Chocolat et beurre → Fondent sous l’effet de la chaleur. - Sucre → Devient caramel (fusion vers 160°C). ❄ Solidification : - Chocolat tempéré qui cristallise pour obtenir une texture brillante et cassante. - Gélification des sauces et crèmes après refroidissement. 2️⃣ Conservation des aliments 🥩❄ La gestion de la température est cruciale pour éviter la prolifération des bactéries et assurer la sécurité alimentaire. ✅ Réfrigération (0-4°C) : - Ralentit la croissance bactérienne (viande, poisson, produits laitiers). - Maintient la fraîcheur des aliments. ❄ Congélation (-18°C et moins) : - Arrête le développement des micro-organismes. - Permet la conservation longue durée des produits. 🔥 Pasteurisation et stérilisation : - Pasteurisation (60-85°C) → Élimine les bactéries dans le lait, jus de fruits, œufs liquides. - Stérilisation (+100°C) → Permet de conserver les aliments en bocaux ou conserves. 3️⃣ Boulangerie et pâtisserie 🥖🍰 Les transformations thermiques sont essentielles pour réussir pains, viennoiseries et pâtisseries. 🔥 Cuisson du pain et des gâteaux : - Levée de la pâte → La chaleur active les levures, libérant du gaz CO₂ (fermentation). - Gélatinisation de l’amidon → Donne une texture moelleuse. - Réaction de Maillard → Crée la croûte dorée du pain. ❄ Refroidissement et surgélation : - La congélation permet de préparer certaines pâtes à l’avance. - Les desserts glacés doivent être maintenus en dessous de -18°C pour conserver leur texture. 4️⃣ Boucherie et cuisson des viandes 🥩🔥 La température influence la texture et le goût de la viande. 🔥 Cuisson de la viande : - Bleu (45-50°C) → Intérieur rouge et juteux. - Saignant (50-55°C) → Centre rouge vif. - À point (60-65°C) → Centre rose. - Bien cuit (+70°C) → Viande totalement cuite. ✅ Maturation de la viande : Conservation entre 0 et 4°C pour attendrir la viande et développer les arômes. 5️⃣ Barman et mixologie 🍸❄ La température et les changements d’état sont clés pour la préparation des cocktails. ❄ Glace et refroidissement : Ajout de glaçons pour refroidir les boissons et contrôler la dilution. Verres givrés pour maintenir la fraîcheur des cocktails. 💨 Évaporation et arômes : Certains alcools et sirops s’évaporent légèrement, libérant des parfums intenses. Utilisation de fumée ou azote liquide pour des effets visuels spectaculaires. 🔎 Conclusion La température et les changements d’état sont omniprésents dans les métiers de bouche et influencent : ✅ Le goût et la texture des aliments (cuisson, fermentation, cristallisation). ✅ La sécurité alimentaire (conservation, stérilisation, pasteurisation). ✅ L’innovation culinaire (fumage, cryogénie, mixologie). 👉 Une bonne maîtrise de ces phénomènes permet aux professionnels d’assurer qualité, hygiène et créativité dans leurs préparations ! 🍽🔥❄

Les notions de température et changements d’état sont essentielles dans les métiers de mécanicien et carrossier, notamment pour le fonctionnement des moteurs, la résistance des matériaux et les procédés de réparation. 1️⃣ Température et fonctionnement des moteurs 🚗🔥 La gestion thermique est cruciale pour éviter la surchauffe et optimiser les performances du moteur. 🔥 Chaleur et combustion : - Les moteurs thermiques fonctionnent grâce à la combustion du carburant (essence ou diesel), générant une chaleur intense (~2000°C dans la chambre de combustion). - Un moteur trop froid consomme plus de carburant et s’use prématurément. 🌡 Refroidissement moteur : - Le liquide de refroidissement circule pour évacuer la chaleur et éviter la surchauffe. - Le radiateur utilise un échange thermique avec l’air extérieur pour refroidir le liquide. - En hiver, le liquide antigel empêche le gel du circuit de refroidissement. 💨 Évaporation et condensation : - La vapeur d’eau issue de la combustion peut condenser dans l’échappement (fumée blanche à froid). - L’évaporation de l’huile et du carburant peut entraîner des pertes et des dysfonctionnements. 2️⃣ Carrosserie et température des matériaux 🚘❄ Les matériaux des véhicules (acier, aluminium, plastique) réagissent aux variations de température. ✅ Dilations et contractions des métaux : - Les variations thermiques peuvent provoquer des déformations, notamment sur la carrosserie et les pièces mécaniques. - Le métal se dilate à la chaleur et se contracte au froid, ce qui peut causer des fissures ou du jeu dans les assemblages. 🔥 Soudure et réparation des métaux : - La fusion des métaux (acier, aluminium) est essentielle pour la soudure et la réparation des pièces. - Les températures varient selon les matériaux : Acier : Fusion à ~1500°C / Aluminium : Fusion à ~660°C 🎨 Peinture et séchage : - La peinture de carrosserie sèche plus rapidement à haute température et doit être appliquée dans des conditions contrôlées (cabine chauffée). - Le vernis subit une polymérisation sous l’effet de la chaleur. 3️⃣ Huiles, lubrifiants et fluides mécaniques 🛢❄ Les lubrifiants et fluides mécaniques (huiles moteur, liquides de frein, carburants) sont sensibles aux variations de température. 🔥 Viscosité et température : - À basse température, l’huile moteur devient plus visqueuse, ce qui complique la lubrification. - À haute température, elle devient trop fluide, perdant en efficacité. - Les huiles sont donc conçues pour supporter des températures extrêmes (ex: 5W-30 pour résister au froid et à la chaleur). 💨 Évaporation et combustion : - Le carburant s’évapore plus vite par forte chaleur, ce qui peut causer des pertes et augmenter la consommation. - L’évaporation de l’eau dans le liquide de frein peut entraîner une perte d’efficacité du freinage. ❄ Solidification et gel des fluides : - L’eau dans le lave-glace ou le liquide de refroidissement peut geler en hiver, rendant le système inutilisable. - Certains carburants (diesel) peuvent former des cristaux à basse température, bloquant les filtres. 4️⃣ Pneumatiques et température des routes 🛞🌡 Les pneus réagissent aux variations de température, influençant l’adhérence et la sécurité. ✅ Pression des pneus : - Le froid réduit la pression des pneus (risque d’usure prématurée). - La chaleur augmente la pression et peut provoquer une surchauffe (risque d’éclatement). ❄ Gomme et adhérence : - Un pneu hiver garde sa souplesse sous 7°C pour une meilleure adhérence. - Un pneu été devient trop rigide au froid, réduisant son efficacité. 🔥 Température des freins : Lors d’un freinage intense, les disques et plaquettes de frein peuvent atteindre 500°C. Un échauffement excessif peut provoquer un fading (perte d’efficacité du freinage). 🔎 Conclusion Dans les métiers de mécanicien et carrossier, la température et les changements d’état influencent : ✅ Les performances et la longévité du moteur (combustion, refroidissement). ✅ La sécurité et l’adhérence des véhicules (pneus, freins). ✅ Les réparations et la peinture de carrosserie (soudure, séchage des vernis). 👉 Une bonne maîtrise de ces phénomènes permet d’assurer efficacité, durabilité et sécurité dans l’entretien et la réparation automobile ! 🚗⚙🔥

Les notions de température et de changements d’état semblent moins directement liées aux métiers du commerce, de la comptabilité et de la gestion, mais elles jouent un rôle dans plusieurs aspects : 1️⃣ Commerce et gestion des produits 🌡📦 Les commerçants, responsables logistiques et gérants doivent tenir compte des contraintes thermiques pour assurer la qualité et la conservation des marchandises. ✅ Produits alimentaires et chaîne du froid : - Respect des températures de stockage et transport pour éviter la détérioration des aliments (ex : réfrigération à 4°C, surgélation à -18°C). - Prise en compte des changements d’état (fusion, évaporation) pour le stockage des glaces, chocolats ou produits sensibles à la chaleur. ✅ Produits cosmétiques et pharmaceutiques : - Certains produits de beauté et médicaments nécessitent un stockage à température contrôlée pour éviter leur altération. - Exemples : crèmes qui fondent à la chaleur, parfums sensibles à l’évaporation. ✅ Équipements électroniques et textiles : - La température influence la conservation des appareils électroniques (éviter la surchauffe des stocks). - Certains vêtements (cuir, laine) nécessitent un stockage dans des conditions adaptées (éviter l’humidité qui pourrait les détériorer). 2️⃣ Comptabilité et gestion des coûts énergétiques 💰⚡ Les gestionnaires et comptables doivent suivre et optimiser les coûts liés à la température et aux changements d’état dans les entreprises. 💡 Facturation et gestion des dépenses énergétiques : - Suivi des factures de chauffage et climatisation. - Analyse des coûts liés à la chaîne du froid pour les commerces alimentaires. 📊 Optimisation énergétique : - Réduction des coûts en adoptant des équipements moins énergivores (frigos basse consommation, isolation des locaux). - Prise en compte des variations saisonnières sur les dépenses en énergie. 3️⃣ Marketing et relation client 🛍️❄🔥 Les variations de température influencent les stratégies commerciales et les comportements d’achat. 📅 Saisonnalité des ventes : - En été, augmentation des ventes de boissons fraîches, crèmes solaires, climatiseurs. - En hiver, hausse des ventes de vêtements chauds, chauffages et soupes. 🛒 Mise en avant des produits selon la température : - Stratégie de merchandising en fonction des besoins des clients (ex : glaces mises en avant en été, chocolats chauds en hiver). - Influence des températures sur l’expérience client en magasin (climatisation en été pour un confort optimal). 🔎 Conclusion Même si les métiers du commerce, de la comptabilité et de la gestion ne manipulent pas directement la température et les changements d’état, ces notions restent importantes pour : ✅ La gestion des stocks et la conservation des produits (alimentaire, cosmétique, textile). ✅ Le suivi des dépenses énergétiques et l’optimisation des coûts. ✅ L’adaptation des stratégies commerciales aux saisons et aux besoins des clients. 👉 Une bonne gestion thermique permet d’améliorer l’efficacité logistique, les ventes et la rentabilité des entreprises ! 📈🔥❄

Dans les métiers du bâtiment, la température et les changements d’état sont des éléments essentiels qui influencent la qualité des matériaux, la durabilité des constructions et le confort des occupants. Voici les principaux liens selon différents aspects du bâtiment : 1️⃣ Influence de la Température sur les Matériaux et Travaux 🌡🏗 La température affecte les propriétés des matériaux utilisés dans le bâtiment : ✅ Dilatation et contraction des matériaux (métaux, bois, béton) selon les variations thermiques. ✅ Séchage et prise des matériaux comme le béton, la peinture et les enduits. ✅ Résistance des matériaux : certains deviennent cassants à basse température. 🔧 Exemples par métier : - Maçon : Le béton sèche plus lentement par temps froid, ce qui peut fragiliser la structure. - Plaquiste : L’humidité et la température influencent la mise en place des plaques de plâtre. - Peintre : Une température trop basse ralentit le séchage et entraîne des défauts de finition. - Menuisier : Le bois se dilate ou se rétracte selon la température et l’humidité. 2️⃣ Changements d’État et Impacts dans le Bâtiment 🔄🏠 Les changements d’état de la matière (solide, liquide, gaz) jouent un rôle crucial dans la construction et l’aménagement. 🔵 Condensation (Gaz → Liquide) - Plombier, installateur climatisation : condensation dans les canalisations mal isolées = risques de corrosion et de fuites. - Plaquiste : risques d’humidité et de moisissures dans les murs si l’isolation est mal posée. ❄ Gel (Liquide → Solide) - Plombier : l’eau dans les canalisations peut geler en hiver, entraînant l’éclatement des tuyaux. - Maçon : le gel peut fissurer le béton fraîchement coulé ou les briques humides. 💨 Évaporation (Liquide → Gaz) - Peintre : les solvants s’évaporent pour assurer le séchage des peintures et vernis. - Maçon : l’eau s’évapore lors du séchage du béton ou des enduits. 🔥 Fusion et Sublimation (Solide → Liquide ou Gaz) - Soudeur, électricien : fusion des métaux pour les raccords et soudures. - Installateur clim : utilisation de fluides frigorigènes qui changent d’état pour capter ou libérer de la chaleur. 3️⃣ Confort Thermique et Régulation dans les Bâtiments 🌡🏡 Les professionnels du bâtiment doivent tenir compte des échanges thermiques et des changements d’état pour assurer un bon confort thermique : ✅ Isolation efficace pour éviter les déperditions de chaleur. ✅ Chauffage et climatisation adaptés pour maintenir une température agréable. ✅ Ventilation contrôlée pour limiter la condensation et l’humidité. 🔧 Exemples d’application : - Menuisier/installateur menuiserie : pose de fenêtres à double vitrage pour limiter la perte de chaleur. - Plaquiste : installation de cloisons isolantes pour réduire les écarts de température. - Installateur climatisation : utilisation de pompes à chaleur exploitant les changements d’état des fluides frigorigènes. 🔎 Conclusion 📌 La température et les changements d’état sont omniprésents dans le bâtiment. Bien les maîtriser permet d’assurer : ✅ Des constructions solides et durables 🏗 ✅ Un bon confort thermique pour les occupants 🏡 ✅ Des économies d’énergie ⚡ Chaque métier doit adapter ses pratiques en fonction de ces phénomènes pour garantir la qualité et la performance des bâtiments ! 🔥❄🚰