Nous définissons la chaleur en physique comme : « l'apport d'énergie transformée à la suite d'une réaction chimique ou nucléaire et transférée entre deux systèmes, ou entre deux parties d'un même système ».
Cette quantité d'énergie n'est pas attribuable au travail ou à la conversion entre deux types d'énergie différents.
Selon la définition, la chaleur est une forme d'énergie transférée et non une forme d'énergie contenue, telle que l'énergie interne. Par conséquent, la chaleur et le travail sont des formes d'énergie qui ne peuvent être associées à l'état du système.
L’unité de chaleur est le joule (J) dans le système international. Cependant, il est encore souvent utilisé comme unité de mesure des calories. Parfois, des unités purement techniques sont également utilisées : comme le kWh ou le British Thermal Unit (BTU) .
Nous définissons une calorie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'un gramme d'eau d'un degré Celsius.
Qu'est-ce que la chaleur spécifique ?
La chaleur spécifique (ou capacité calorifique) d'une substance est définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever ou abaisser la température d'une unité de masse d'un kelvin.
Dans le système international, l'unité de mesure de la chaleur spécifique est J / (K · kg).
Différence entre la chaleur latente et sensible
Si le transfert de chaleur modifie l'état d'agrégation, on parle de chaleur latente.
En revanche, si le transfert se traduit par une diminution de l'écart de température, on parle de chaleur sensible.
La chaleur de réaction est également utilisée lorsque la chaleur est consommée ou générée par une réaction chimique.
Exemple
Par exemple, l'élévation de température de l'eau de 20°C à 50°C dans des conditions standard est déterminée par le fait que de la chaleur sensible est fournie.
Si l'eau est à température d'ébullition par volume constant et pression constante, même si la chaleur continue à être fournie, la température est constante. C'est-à-dire, la température n'augmente pas tant que le changement d'état n'est pas terminé. Dans ce cas, l'énergie est stockée sous forme de chaleur latente.
Relation entre l’énergie interne, la chaleur et la température
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 températures les plus élevées vers les plus basses selon la deuxième loi de la thermodynamique jusqu'à ce qu'elle atteigne un point d'équilibre thermique.
La quantité de chaleur échangée dépend du chemin particulier suivi par la transformation pour passer de l'état initial à l'état final. Autrement dit, la chaleur n'est pas une fonction d'état.
Au lieu de cela, l'énergie interne et thermique est une fonction d'état associée à l'état thermodynamique du système.
La chaleur animale est une conséquence de l’énergie chimique qui réalise le corps pour se maintenir en fonctionnement. Si cette énergie augmente soudainement par une augmentation de l’activité physique, un bouffée de chaleur ou la température externe est trop élevée, il peut provoquer un coup de chaleur.
L'énergie en transit
D'autre part, la chaleur n'est pas une propriété thermodynamique. Par conséquent, la chaleur peut être définie comme "l'énergie en transit", et non comme "l'énergie possédée par un corps".
La chaleur est échangée entre deux corps (ou deux parties d'un même corps) et n'est pas possédée par un seul corps (comme pour l’énergie interne). En particulier, les flux d'énergie dus à une différence de température entre le système étudié.
Transmission de chaleur
Le transfert d'énergie thermique entre les systèmes peut se faire de trois manières :
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Propagation par conduction thermique : Dans un même corps ou entre corps en contact, l'énergie se transmet. Ce transfert est produit par des impacts provoqués par le mouvement des atomes et des molécules des deux matériaux en contact. A chaque impact, une partie de l'énergie cinétique de chaque particule passe à l'autre matériau. En conséquence, la chaleur circule toujours des températures élevées vers des températures plus basses.
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Propagation convective : dans un fluide en mouvement, des parties du fluide peuvent se réchauffer ou se refroidir lorsqu'elles entrent en contact avec les surfaces extérieures. Il s'agit en fait d'un transfert d'énergie.
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Propagation du rayonnement : La transmission de la chaleur peut se produire à distance (également dans le vide) par le biais d'ondes électromagnétiques. Par exemple, l'énergie solaire voyage du Soleil à la Terre par rayonnement.
Qu'est-ce qui cause les sensations de chaud et de froid ?
La sensation de froid ou de chaleur désigne ce que vous ressentez lorsque vous touchez un objet est déterminée par sa température et la conductivité thermique du matériau fabriqué, en plus d'autres facteurs.
Bien qu'il soit possible de comparer les températures relatives de deux corps au toucher (avec quelques précautions), il est impossible de donner une évaluation complète. En général, on estime la sensation de chaleur en comparaison avec la température corporelle.
Nous pouvons utiliser des calorimètres 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.
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 de la chaleur à la main (ou à un autre objet à des températures différentes).
Cependant, en fournissant de la chaleur à un corps, non seulement la température augmente, il y a une sensation de chaleur plus nette, mais il y a des variations directement mesurables dans certaines propriétés physiques.
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 remontent 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.