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Thermodynamique.
Transformation de l'énergie

Énergie thermique I de combustion.
Effets de la thermodynamique

Entropie

Chaleur

Chaleur

En physique, en particulier en thermodynamique, la chaleur est définie comme:

L'apport d'énergie transformé 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 attribuable à un travail ou à une conversion entre deux types d'énergie différents.

La chaleur est donc une forme d'énergie transférée et non une forme d'énergie contenue, comme l'énergie interne.

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, s'écoulent.

L'œuvre identifie le moment où la force opère un changement. En d'autres termes, les workflows sont exécutés dès qu'ils se produisent; tout comme la chaleur n'est identifiée qu'au moment de la transmission.

Unités pour exprimer la chaleur

La chaleur est mesurée dans le système international en joules.

En pratique, cependant, il est souvent encore utilisé comme unité de mesure des calories.

Une calorie est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'un gramme d'eau distillée d'un degré Celsius. Cette définition est valable dans les conditions de pression de 1 atm.

Parfois, des unités purement techniques sont également utilisées: comme le kWh ou le BTU.

Qu'est-ce que la chaleur spécifique?

La chaleur spécifique (ou chaleur d'une masse spécifique) d'une substance est définie comme: la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter ou diminuer la température d'une unité de masse d'un kelvin.

N'oubliez pas que la différence entre un degré Celsius et un Kelvin est la même.

Une quantité similaire est la chaleur molaire spécifique, également appelée chaleur molaire, définie comme: la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter ou diminuer la température d'une mole de substance d'un degré.

Dans le système international, l'unité de mesure de la chaleur spécifique est J / (K · kg), même si le kcal / (kg × ° C) est beaucoup utilisé, tandis que celle de la chaleur molaire est J / (K · mol).

Quels sont 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


ΔE -> indique un changement dans toute forme d'énergie (telle que l'énergie interne, l' énergie cinétique ou l'énergie potentielle).
Q -> représente la chaleur.
W -> indique le travail (par changement de volume ou isochore).

Les conséquences du transfert de chaleur peuvent être principalement de deux types:

  1. variation d'énergie
  2. échange d'emploi.

Une forme particulière d'énergie qui peut être modifiée après le passage de la chaleur est l'énergie interne. La variation de l'énergie interne peut avoir différentes conséquences, notamment un changement de température ou un changement d'état d'agrégation.

Que sont la chaleur latente et la chaleur sensible?

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

La formule classique pour une chaleur sensible est:

Q = c · m · ΔT

tandis que celle de 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:

  1. une contribution liée à la chaleur sensible
  2. un apport lié à la chaleur latente.

Exemple

Par exemple, l'augmentation de la température de l'eau de 20 ° C à 50 ° C dans des conditions standard (c'est-à-dire à une pression de 1 atm) est déterminée par le fait qu'une chaleur sensible est fournie. Si l'eau a déjà atteint la température d'ébullition, elle stocke de l'énergie (sous forme de chaleur latente), en gardant 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, qui a de l'énergie stockée lors du passage de l'état, peut provoquer des brûlures plus graves que l'eau à l'état liquide à la même température.

La chaleur de réaction est également désignée lorsque la chaleur est consommée ou générée par une réaction chimique.

Quelle relation la chaleur, la température et l'énergie interne ont-elles?

La chaleur n'est pas une propriété associée à une configuration d'équilibre thermodynamique. En présence d'un gradient de température, la chaleur s'écoule des points situés à des températures plus élevées vers ceux situés à des températures plus basses, jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit atteint.

La quantité de chaleur échangée dépend du chemin particulier suivi par la transformation pour passer de l'état initial à l'état final.

En d'autres termes, la chaleur n'est pas une fonction d'état.

Énergie interne

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

Pour la température et l'énergie internes, ils ont des expressions logiques (c'est-à-dire qu'elles 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".

Énergie en transit

En revanche, la chaleur n'est pas une propriété thermodynamique. Des expressions comme «le corps a de la chaleur, cède de la chaleur, acquiert de la chaleur» n'ont aucune valeur scientifique. En fait, la chaleur peut être définie comme "l'énergie en transit", pas comme "l'énergie possédée par un corps".

La chaleur est échangée entre deux corps (ou deux parties du même corps) et n'est pas possédée par un seul corps (comme c'est le cas avec l'énergie interne). En particulier, les flux de chaleur dus à une différence de température entre le système étudié. L'environnement qui interagit avec lui. Ainsi, la chaleur ne se manifeste que lorsqu'elle passe entre le système et l'environnement en raison d'une différence de température.

Il n'est en aucune façon reconnu au sein du système et de l'environnement comme une propriété intrinsèque de celui-ci.

Comment la chaleur se propage-t-elle?

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

  • Conduite.
  • Convection
  • Irradiation.

Chaleur diffusée par conduction

Dans un seul corps ou entre des corps en contact, il y a transmission, par chocs, d' énergie cinétique entre les molécules appartenant aux zones voisines du matériau.

En énergie de conduction, elle est transférée à travers la matière, mais sans mouvement macroscopique de cette dernière.

Propagation de chaleur par convection

Dans un fluide en mouvement, les parties fluides peuvent chauffer ou refroidir au contact des surfaces externes. Puis, au cours de son mouvement (souvent turbulent), transfert (toujours à exécuter), l'énergie acquise vers d'autres surfaces, entraînant un transfert de chaleur par advection.

Chaleur diffusée par irradiation

Entre deux systèmes, la transmission de chaleur peut avoir lieu à distance (également sous vide).

Le transfert est effectué par l'émission, la propagation et l'absorption des ondes électromagnétiques: la température corporelle inférieure se réchauffe, la température plus élevée se refroidit.

Le mécanisme d'irradiation ne nécessite pas de contact physique entre les corps impliqués dans le processus.

Un exemple est la chaleur qui se propage du Soleil vers la Terre par le rayonnement solaire.

Détection de température

La sensation de «chaleur» ou de «froid» ressentie au toucher d'un corps est déterminée par sa température et la conductivité thermique du matériau dont il est fait, en plus d'autres facteurs.

Bien qu'il soit possible de comparer les températures relatives de deux corps au toucher (avec une certaine prudence), il est impossible de donner une évaluation absolue.

Les calorimètres sont utilisés pour calculer le transfert de chaleur.

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 plus élevée transfère à un corps à une température plus basse (jusqu'à ce que les deux corps aient la même température). La sensation de froid et de chaleur est due à la fois à la différence de température entre la main et l'objet et à la vitesse à laquelle l'objet peut transférer (absorber ou libérer) de la chaleur à la main (ou à un autre objet à différentes températures).

Cependant, en fournissant de la chaleur à un corps, non seulement la température augmente, mais il y a une sensation plus vive de chaleur, mais il y a des variations directement mesurables de certaines propriétés physiques.

Des exemples

Par exemple. On plonge une main dans l'eau froide pendant quelques secondes et l'autre dans l'eau chaude. Ensuite, nous plongeons tous les deux dans l'eau chaude. Le premier aura la sensation que l'eau est chaude, le second qu'il fait froid, car la température perçue est relative à celle de la main qui fait la mesure.

Une évaluation relative est également souvent impossible. Par exemple, en touchant un morceau de bois et un morceau de métal. Nous supposons que les deux matériaux ont été dans le même environnement assez longtemps pour atteindre l'équilibre thermique avec l'environnement. Les toucher donne l'impression que le métal est beaucoup plus froid, en raison de la conductivité thermique différente des deux matériaux.

En même temps, nous plaçons un thermomètre. D'abord en contact avec le bois puis avec le métal. On observe que la température dans les deux matériaux est la même. Identique à la température ambiante.

Contexte historique de la chaleur

Au cours de la première moitié du XVIIIe siècle, les chercheurs ont utilisé la substance élémentaire appelée phlogiston pour expliquer le chauffage de certains matériaux et la combustion.

Au cours des années suivantes, les phénomènes thermiques remontaient à la théorie selon laquelle la chaleur était un fluide invisible. En entrant dans la matière d'un corps, il pourrait augmenter sa température.

Malgré les études de Boyle au XVIIe siècle sur la relation entre le mouvement des particules et la chaleur, ce n'est que vers le milieu du XIXe siècle que les bases de la thermodynamique ont été jetées. Ces fondations ont été posées grâce aux études Mayer (1842) et Joule (1843), concernant la quantité de chaleur et les travaux nécessaires pour y parvenir.

Auteur :

Date de publication : 24 août 2018
Dernier examen : 21 avril 2020