La chaleur, ça s’échange

La chaleur, ça s’échange

Vous préparez un matin le sac à pique-nique.
Allez-vous mettre le soda réfrigéré et le café chaud dans le même sac isotherme ?
Non, bien sûr !
Pourquoi ? Que se passerait-il dans le sac isotherme ?

 

Essayons l’expérience suivante

matériel

Relevez et notez la température de l’eau dans chaque bouteille ; placez-les dans le sac isotherme et attendez 3 heures. Comment pensez-vous que la température de chaque bouteille a évolué ?

Entrouvrez le sac, posez vos mains sur chacune des bouteilles avant de refermer le sac. Qu’avez-vous constaté ? Vos prévisions sont-elles vérifiées ?

La température de la bouteille F a augmenté.

D’habitude, comment faites-vous pour augmenter la température d’un liquide ?

Pour chauffer de l’eau, vous pouvez mettre la casserole d’eau sur un brûleur à gaz, sur une plaque chauffante électrique, sur un radiateur, au soleil…

Revenons à notre sac isotherme. D’où vient la chaleur qui a réchauffé l’eau de la bouteille F ? De la bouteille C, bien évidemment. Comment cela s’est-il manifesté ?

Maintenant, essayez de rédiger vous-même votre première Conclusion Locale Provisoire (CLP) :

Si vous attendez encore plus longtemps (au moins 5h), comment la température de chaque bouteille va-t-elle évoluer ? Jusqu’où ?
Vérifiez-le avec le thermomètre. Essayez votre deuxième Conclusion Locale Provisoire

Que se passe-t-il dans le sac isotherme ? Les deux bouteilles, à des températures différentes, échangent de la chaleur, la plus chaude donnant de la chaleur à celle qui est plus froide (voir votre 1ère expérience et la première CLP) : la température de la plus chaude diminue, la température de la plus froide augmente. Mais jusqu’où… ?
Un raisonnement par l’absurde nous donne la réponse : si un objet est plus chaud (ou plus froid), alors il va donner (ou prendre) de la chaleur à l’autre objet plus froid (ou plus chaud). Cet échange dure aussi longtemps qu’il est plus chaud (ou plus froid) que l’autre. À la fin, leur température est la même.

Et maintenant si au lieu de deux bouteilles on place ensemble plusieurs objets, chacun à une température différente dans un espace fermé – par exemple dans une pièce, porte et fenêtre closes, sans appareil de chauffage ou de réfrigération…
Essayer de généraliser le résultat précédent dans u
ne troisième Conclusion Locale provisoire.

On a atteint ce que l’on appelle un “équilibre thermique”. Il n’y a plus de chaleur échangée et la température de chacun des objets et de l’air est identique.

Si vous avez l’impression que ce n’est pas le cas, ce n’est pas l’équilibre thermique qui est en cause mais la façon dont vous interprétez vos sensations.
 

Comment faire pour limiter les échanges de chaleur ?

Un sac isotherme est un récipient dont les parois ne laissent pas passer la chaleur… en théorie ! En pratique, on empêche du mieux possible les échanges de chaleur d”avoir lieu entre l’intérieur et l’extérieur. Malgré ça, au bout d’un certain temps, on constate que les températures des objets à l’intérieur et à l’extérieur du sac sont les mêmes. Finalement, elles sont égales à… la température ambiante de la pièce ou de l’environnement.

Avez-vous des idées pour faire encore plus barrage aux échanges de chaleur entre l’intérieur et l’extérieur du sac ? Inspirez-vous des techniques d’isolation dans le bâtiment, à la cuisine, dans l’habillement… Testez votre solution, avec du chaud puis du froid, vous serez étonné.

Remarque : Au lieu de considérer l’échange de chaleur qui réchauffe le corps F et diminue la température du corps C, on peut prendre le point de vue de l’échange de froid qui refroidit le corps C et augmente la température du corps F. C’est d’ailleurs la façon de raisonner des frigoristes (spécialistes des réfrigérateurs) qui utilisent la “frigorie” comme unité d’échange de froid (1 frigorie est égale à 1 calorie négative).