Stockage et transferts : exercices de sciences physiques première – PDF gratuit à télécharger et imprimer

1. Qu’est-ce que l’énergie interne d’un corps ?
2. Écris la relation entre énergie transférée, masse, capacité thermique massique et variation de température, avec les unités.
3. Définis le flux thermique et donne son unité.
4. Cite les trois modes de transfert thermique.

Dis si chaque affirmation est vraie ou fausse et justifie.

a. Un transfert thermique spontané va du corps froid vers le corps chaud.
b. La capacité thermique massique de l’eau vaut 4 180 J·kg⁻¹·K⁻¹.
c. Pendant la fusion de la glace, la température reste constante.
d. Le flux thermique s’exprime en joules.
e. Plus la résistance thermique d’une paroi est grande, plus le flux qui la traverse est faible.
f. Un écart de 40 K correspond à un écart de 40 °C.

Convertis :
1. 0,50 kWh en joules ;
2. 7,2 × 10⁵ J en Wh ;
3. 25 °C en kelvins (T = θ + 273) ;
4. 310 K en degrés Celsius ;
5. 3 h 30 min en secondes ;
6. 2,5 kW en W.

On chauffe 0,75 kg d’eau de 18 °C à 98 °C. Donnée : c = 4 180 J·kg⁻¹·K⁻¹.

1. Calcule la variation de température en kelvins.
2. Calcule l’énergie reçue par l’eau en joules.
3. Exprime cette énergie en Wh.

Un bloc d’aluminium de masse 0,50 kg (c = 900 J·kg⁻¹·K⁻¹) est chauffé de 20 °C à 120 °C.

1. Calcule l’énergie reçue par le bloc.
2. Quelle énergie faudrait-il pour 0,50 kg d’eau subissant la même variation de température ?
3. Compare et interprète.

On mélange, dans un récipient isolé, 200 g d’eau à 20 °C et 100 g d’eau à 80 °C.

1. Écris la conservation de l’énergie échangée entre les deux masses d’eau.
2. Calcule la température finale.
3. Pourquoi la température finale n’est-elle pas la moyenne simple des deux températures ?

On chauffe 0,50 kg d’eau avec une plaque de puissance électrique 100 W. Le graphique donne la température θ en fonction du temps t.

1. Quelle est la température de l’eau à t = 5 min ?
2. Calcule le coefficient directeur de la droite, en K/min puis en K/s.
3. Calcule la puissance thermique reçue par l’eau, P = m × c × (coefficient directeur).
4. Déduis le rendement du chauffage.

Un glaçon de 50 g à 0 °C fond puis l’eau obtenue est portée à 20 °C. Données : L_fusion = 3,34 × 10⁵ J/kg ; c_eau = 4 180 J·kg⁻¹·K⁻¹.

1. Calcule l’énergie nécessaire à la fusion.
2. Calcule l’énergie pour chauffer l’eau de 0 °C à 20 °C.
3. Calcule l’énergie totale.
4. L’environnement fournit 100 W au glaçon : combien de temps faut-il ?

On vaporise 1,0 kg d’eau déjà à 100 °C. Donnée : L_vaporisation = 2,26 × 10⁶ J/kg.

1. Calcule l’énergie nécessaire.
2. Exprime-la en kWh.
3. Une bouilloire de 2,0 kW fournit toute son énergie à l’eau : calcule la durée nécessaire, en minutes.

Une pièce perd 7,2 × 10⁵ J en 2,0 h à travers ses parois.

1. Calcule le flux thermique moyen.
2. Exprime l’énergie perdue en kWh.
3. Un radiateur de 1 000 W compense cette perte : pendant combien de temps doit-il fonctionner ?

Deux parois de surface S = 10 m² séparent un intérieur à 20 °C d’un extérieur à 5 °C. Paroi 1 : béton, e = 0,20 m, λ = 1,7 W·m⁻¹·K⁻¹. Paroi 2 : laine de verre, e = 0,10 m, λ = 0,040 W·m⁻¹·K⁻¹.

1. Calcule la résistance thermique de chaque paroi.
2. Calcule le flux thermique à travers chacune.
3. Compare les deux flux et conclus.

Le schéma représente une paroi de résistance thermique R_th = 0,25 K·W⁻¹.

1. Quel est le sens du transfert thermique ?
2. Calcule l’écart de température, puis le flux thermique.
3. Calcule l’énergie perdue en 24 h, en kWh puis en J.
4. On double l’épaisseur de l’isolant (R_th double). Que devient le flux ?

La température d’un café de 0,25 kg (assimilé à de l’eau) est relevée dans une pièce à 20 °C.

1. Quel est le sens du transfert thermique ? Vers quelle valeur tend la température ?
2. Calcule la vitesse de refroidissement (en K/min) entre 0 et 10 min, puis entre 30 et 40 min. Que constates-tu ?
3. Explique cette différence en t’appuyant sur l’écart de température avec la pièce.
4. Estime le flux thermique perdu entre 0 et 10 min. Donnée : c = 4 180 J·kg⁻¹·K⁻¹.

Un ballon contient 200 L d’eau (masse 200 kg) qu’on chauffe de 15 °C à 60 °C avec une résistance de 2,5 kW dont le rendement est de 0,95.

1. Calcule l’énergie reçue par l’eau, en J puis en kWh.
2. Calcule l’énergie électrique consommée.
3. Calcule la durée de chauffe.
4. Calcule le coût pour 0,25 € le kWh.

Une batterie de 12 V et 60 Ah alimente un appareil de 90 W.

1. Calcule l’énergie stockée, en Wh puis en J.
2. Calcule la durée de fonctionnement si toute l’énergie est utilisable.
3. Même question si on ne peut utiliser que 50 % de la capacité.
4. Calcule l’intensité du courant débité.

Une station de transfert d’énergie par pompage stocke de l’eau en altitude : volume 2,0 × 10⁶ m³ à une hauteur h = 300 m au-dessus de la turbine. Données : masse volumique ρ = 1 000 kg·m⁻³ ; g = 9,8 N·kg⁻¹ ; rendement de restitution 0,75.

1. Calcule la masse d’eau.
2. Calcule l’énergie stockée en J puis en kWh.
3. Calcule l’énergie électrique restituée.
4. Quelle puissance moyenne obtient-on si la retenue est vidée en 10 h ?

Le diagramme donne l’énergie massique de quelques moyens de stockage, avec une échelle logarithmique.

1. Quel moyen stocke le plus d’énergie par kilogramme ? le moins ?
2. Lis (ordre de grandeur) les valeurs de l’accumulateur lithium-ion et de l’essence et calcule leur rapport.
3. Une voiture thermique brûle 30 kg d’essence (12 800 Wh/kg) avec un rendement de 0,30. Une voiture électrique a un rendement de 0,90. Quelle énergie utile est obtenue, et quelle masse de batterie lithium-ion (200 Wh/kg) fournirait la même énergie utile ?
4. Pourquoi l’échelle logarithmique est-elle adaptée ici ?

Une maison perd, en régime permanent, un flux thermique de 5,0 kW lorsque l’écart de température entre l’intérieur et l’extérieur est de 20 K. Une isolation réduit ce flux de 30 %. On suppose cet écart constant pendant 150 jours.

1. Calcule l’énergie perdue en une journée.
2. Calcule le flux après isolation puis l’énergie économisée par jour.
3. Calcule l’économie sur 150 jours, en kWh puis en euros à 0,20 € le kWh.
4. Calcule le flux perdu par kelvin d’écart (en W·K⁻¹) avant isolation.

Une bouteille isotherme contient 0,50 kg de thé à 90 °C (assimilé à de l’eau). Après 6,0 h, la température est de 60 °C.

1. Calcule l’énergie perdue.
2. Calcule le flux thermique moyen.
3. Explique, pour chacun des trois modes de transfert, comment la bouteille limite les pertes.
4. Que se passerait-il avec une bouteille de même volume mais mal fermée ?

Tu disposes d’un bloc de métal de masse 0,200 kg, d’eau, d’un calorimètre (capacité négligée), d’un thermomètre, d’une balance et d’une bouilloire.

Rédige un protocole complet pour déterminer la capacité thermique massique du métal par la méthode des mélanges. Précise les mesures, les relations utilisées, un exemple de calcul avec des valeurs plausibles pour un métal et les sources d’erreur.