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mathématiques MPSI · Chapitre 4 · Application directe du cours

Loi de refroidissement de Newton. Un corps de température initiale T₀…

Calcul différentiel et intégral · F. Équations différentielles du premier ordre · niveau 2

Énoncé

Loi de refroidissement de Newton. Un corps de température initiale est placé dans une pièce à ; sa température vérifie avec . Résoudre, et déterminer sachant que au bout de minutes. Quand atteint-on ?

Corrigé

Stratégie : un changement de fonction inconnue ramène le second membre constant à l'équation homogène. C'est le geste standard devant : on pose , l'écart à l'état d'équilibre.

Résolution. Posons . Comme est constante, , et l'équation devient l'équation homogène la plus simple. Ses solutions sont , avec . Donc Le corps refroidit exponentiellement vers , sans jamais l'atteindre : quand .

Détermination de . La donnée s'écrit (Autrement dit, l'écart à la température de la pièce est divisé par deux toutes les minutes : est une demi-vie, exactement comme pour la désintégration radioactive.)

Quand atteint-on ?

⚠️ Le point délicat : ce qui décroît de moitié, c'est l'écart, pas la température. La tentation est de raisonner « en min, donc en min de plus ». C'est faux : la loi est linéaire en , pas en . L'écart passe de à en min, puis de à (donc ) dans les suivantes. Et l'unité de dépend de celle du temps : , pas .

Contrôle. ✓. ✓. et : la valeur est bien franchie entre et minutes, ce qui encadre ✓. Vérification directe : , donc ✓.

Ce que l'exercice installe. Devant , on ne cherche pas de solution particulière : on translate l'inconnue. La forme — régime permanent plus régime transitoire — est celle de tous les systèmes du premier ordre : refroidissement, charge d'un condensateur, décroissance radioactive, dilution.

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