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La chaleur

La chaleur

En physique, en particulier dans la thermodynamique, la chaleur est définie comme étant la contribution de l'énergie transformée à la suite d'une réaction chimique ou nucléaire et transféré entre deux systèmes ou entre deux parties d'un même système. Cette énergie n'est pas imputable à un travail ou à une conversion entre deux types d'énergie. La chaleur est, par conséquent, une forme d'énergie transférée et non une forme d'énergie contenue sous forme d'énergie interne.

Au fur et à mesure de l'échange d'énergie, la chaleur est mesurée en joules dans le système international. En pratique, cependant, il est encore souvent utilisé comme unité de mesure des calories, qui est définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'un gramme d'eau distillée, soumis à la pression de 1 atm est passé de 14,5 à 15 ° C, 5 ° C Parfois, des unités purement techniques telles que kWh ou BTU sont également utilisées.

La chaleur et le travail sont des formes d'énergie qui ne peuvent pas être associées à l'état du système, c'est-à-dire à sa configuration d'équilibre; en particulier, les deux formes d'énergie sont reconnues au moment où elles transitent, elles circulent. Le travail identifie le moment où la force est transformée. En d'autres termes, les flux de travail sont effectués au moment où ils sont produits; tout comme la chaleur n'est identifiée qu'au moment de sa transmission.

Les effets de la chaleur

Les effets du transfert de chaleur sont décrits par la première loi de la thermodynamique dans sa forme la plus générale:

ΔE = Q - W

Lorsque AE indique un changement de toute forme d'énergie (telles que l'énergie, l'énergie cinétique ou de l'énergie potentielle), Q représente la chaleur et W indique le travail (changement de volume ou isochore). Les conséquences du transfert de chaleur peuvent être principalement de deux types: la variation d'énergie ou l'échange de travail.

Une énergie particulière pouvant être modifiée après le passage de la chaleur est l’énergie interne; la variation de l'énergie interne peut avoir différentes conséquences, y compris un changement de température ou un changement de l'état d'agrégation.

Si le transfert de chaleur entraîne un changement d’état d’agrégation, cette chaleur prend le nom de chaleur latente, alors que si le transfert de chaleur entraîne une diminution de la différence de température (parce que les deux systèmes ou deux des parties d'un même système ont tendance à atteindre l'équilibre thermique), nous parlons de chaleur sensible.

La formule classique de la chaleur sensible est:

Q = c · m · ΔT

tandis que la chaleur latente est:

Q = λ · m

Enfin, dans le cas où le transfert de chaleur implique à la fois une diminution de la différence de température et un changement de phase, cette chaleur peut être considérée comme la somme de deux contributions: une contribution à la chaleur sensible et une contribution à la chaleur latente.

Par exemple, l'augmentation de la température de l'eau de 20 ° C à 50 ° C dans des conditions standard (à une pression de 1 atm) est déterminée par le fait que la chaleur sensible est fournie, alors que si L'eau a déjà atteint la température d'ébullition, stocke l'énergie (sous forme de chaleur latente), en maintenant sa température inchangée jusqu'à ce que le changement de phase du liquide à la vapeur se produise. Pour cette raison, un jet de vapeur d'eau à 100 ° C, dont l'énergie est stockée lors du passage de l'état, peut causer des brûlures plus graves que l'eau à l'état liquide à la même température.

On parle également de chaleur de réaction lorsque de la chaleur est consommée ou générée par une réaction chimique.

La chaleur, la température et l'énergie interne

La chaleur n’est pas une propriété associée à une configuration d’équilibre thermodynamique. En présence d'un gradient de température, la chaleur circule des points à des températures plus élevées vers celles à des températures plus basses, jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit atteint. La quantité de chaleur échangée dépend de la trajectoire particulière suivie par la transformation pour arriver de l'état initial à l'état final. En d'autres termes, la chaleur n'est pas une fonction d'état.

L'énergie interne, en revanche, est une fonction de l'état associable avec une configuration d'équilibre (ou d'état thermodynamique) du système, en fonction des variables d'état.

Pour la température interne et l'énergie, ils ont des expressions logiques (c'est-à-dire qu'ils sont scientifiquement correctes) du type: "le corps a une certaine température, il a une certaine énergie interne, il acquiert de l'énergie, il donne de l'énergie".

D'un autre côté, la chaleur n'est pas une propriété thermodynamique, de sorte que des expressions comme "le corps a de la chaleur, produit de la chaleur, acquiert de la chaleur" n'ont aucune valeur scientifique. En fait, la chaleur peut être définie comme "énergie en transit" et non comme "énergie possédée par un corps"; la chaleur est échangée entre deux corps (ou deux parties du même corps) et non possédée par un seul corps (comme c'est le cas avec l'énergie interne). En particulier, les flux thermiques dus à une différence de température entre le système étudié et l'environnement qui interagit avec lui, la chaleur ne se manifeste que lorsqu'elle passe du système à l'environnement en raison d'une différence de température. aucun moyen au sein du système et de l'environnement en tant que propriété intrinsèque.

Propagation de la chaleur

Le transfert (ou l’échange ou la propagation) de chaleur entre systèmes peut se faire de trois manières:

  • Propagation de la chaleur par conduction: dans un seul corps ou entre des corps en contact, il y a transmission, par impacts, de l’énergie cinétique entre les molécules appartenant aux zones voisines du matériau. Dans l'énergie motrice est transférée à travers la matière, mais sans mouvement macroscopique de celle-ci;
  • Propagation de la chaleur par convection: dans un fluide en mouvement, les parties fluides peuvent chauffer ou refroidir pour se mettre en contact avec les surfaces extérieures puis au cours de leur mouvement (dans le caractère turbulent souvent) , le transfert (toujours à exécuter), l'énergie acquise sur les autres surfaces, ce qui donne lieu à un transfert de chaleur par advection. Dans un champ gravitationnel tel que terrestre (associé à la force du poids), cette méthode de transfert de chaleur est due à la présence naturelle de courants d'advection, chauds et froids, dus à la diversité des températures et, pour donc, de la densité des régions fluides impliquées dans le phénomène, par rapport à celles du fluide environnant;
  • Propagation de la chaleur par irradiation: entre deux systèmes, le transfert de chaleur peut avoir lieu à une distance (également sous vide), pour l'émission, la diffusion et l'absorption des ondes électromagnétiques: dans ce cas, la température de la partie inférieure du corps il est chauffé et à une température plus élevée, il se refroidit. Le mécanisme d'irradiation ne nécessite pas de contact physique entre les organes impliqués dans le processus. Un exemple est la chaleur qui se propage du Soleil à la Terre par le rayonnement solaire.

Détection de la température

Le sentiment de sensation « chaud » ou « froid » en touchant un corps est déterminée par sa température et de la conductivité thermique du matériau qui est, entre autres facteurs pris.

Bien qu'il soit possible de comparer avec le toucher (avec une certaine prudence) les températures relatives de deux corps, il est impossible de donner une évaluation absolue. Par exemple, en plongeant une main dans l'eau froide pendant quelques secondes et l'autre dans l'eau chaude, puis plonger à la fois dans l'eau chaude, le premier aura le sentiment que l'eau est chaude, dont le second est froid, car la température perçue est relative à celle de la main qui effectue la mesure.

Une évaluation relative est souvent impossible. Par exemple, pour jouer un morceau de bois et un morceau de métal qui ont été dans le même environnement suffisant pour atteindre l'équilibre thermique avec l'environnement tout, il a le sentiment que le métal est beaucoup plus frais, en raison de différents la conductivité thermique des deux matériaux. Un thermomètre placé en premier en contact avec le bois, puis à la place de métal mesurerait la même température, qui coïncide avec l'air dans l'environnement qui est approchée en tant que source de chaleur pour tout ce qui est contenu dans celui-ci.

La température est un indice de l'énergie cinétique moyenne des particules corporelles examinées. La chaleur est l'énergie qu'un corps à une température supérieure transfère à un corps à une température inférieure (jusqu'à ce que les deux corps aient la même température) ). La sensation de froid et de chaleur est due à la différence de température entre la main et l'objet et à la vitesse à laquelle l'objet peut transférer (absorber ou relâcher) la chaleur à la main (ou à un autre objet à différentes températures).

Cependant, en apportant de la chaleur à un corps, non seulement la température augmente, mais il existe une sensation de chaleur plus aiguë, mais il existe des variations directement mesurables dans certaines propriétés physiques.

Contexte historique de la chaleur

Pendant la première moitié du dix-huitième siècle, les chercheurs ont utilisé la substance élémentaire appelée phlogiston pour expliquer le chauffage de certains matériaux et la combustion.

Dans les années qui ont suivi, les phénomènes thermiques sont revenus à la théorie selon laquelle la chaleur était un fluide invisible, qui, en entrant dans la matière d’un corps, pouvait augmenter sa température.

Malgré les études du dix-septième siècle de Boyle sur la relation entre le mouvement des particules et la chaleur, ce n'est que vers le milieu du XIXe siècle que les fondements de la thermodynamique ont été posés. Ces bases ont été établies grâce aux études Mayer (1842) et Joule (1843) relatives à la quantité de chaleur et au travail nécessaire pour y parvenir.

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Dernier examen: 24 août 2018

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