Quand on entend le terme « équilibre thermique », cela peut souvent paraître compliqué, mais il s'agit en réalité d'un concept qui fait référence à quelque chose que nous vivons quotidiennement, même si nous ne le remarquons pas.
L'équilibre thermique est un état dans lequel deux ou plusieurs corps (ou systèmes) atteignent la même température et n'échangent donc plus d'énergie thermique entre eux. Pour bien comprendre cela, examinons quelques détails importants sur le concept.
Qu'est-ce que la chaleur ?
Avant d’aborder l’équilibre thermique, il est important de comprendre ce qu’est la chaleur.
La chaleur est une forme d’énergie transférée entre les corps en raison des différences de température. Ce flux d’énergie se produit toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, et le processus se poursuit jusqu’à ce que les deux corps atteignent la même température.
Ce moment où ils arrêtent d'échanger de la chaleur est ce que nous appelons l'équilibre thermique .
Le processus d'échange de chaleur
Imaginons que vous preniez une tasse de café chaud dans une pièce à température ambiante. Au début, la température du café est bien plus élevée que celle de l’air qui l’entoure. À mesure que le café est plus chaud, il commence à perdre de la chaleur dans l’air qui l’entoure. Pendant ce temps, l’air ambiant absorbe cette énergie.
Cet échange thermique se poursuivra jusqu'à ce que la température du café et celle de l'air deviennent égales. C’est à ce moment-là que les deux sont en équilibre thermique, ce qui signifie qu’il n’y aura plus de transfert de chaleur entre eux.
Il s’agit d’un exemple simple du fonctionnement de l’équilibre thermique, mais ce qui est intéressant est que ce phénomène se produit dans de nombreux aspects de notre vie quotidienne, même si nous ne le percevons pas toujours.
Loi zéro de la thermodynamique
L’équilibre thermique est mieux compris si nous introduisons la loi zéro de la thermodynamique.
Cette loi est assez simple et dit ce qui suit : « Si deux corps sont en équilibre thermique avec un troisième corps, alors ils sont également en équilibre thermique l'un avec l'autre. » Même si cela semble évident, cette loi est fondamentale pour définir la température comme une propriété physique mesurable.
Imaginez trois corps : A, B et C. Si le corps A est en équilibre thermique avec le corps B et que le corps B est en équilibre thermique avec le corps C, la loi nous dit que A et C doivent également être en équilibre thermique. Cela établit une relation transitoire très utile qui permet, entre autres, l'étalonnage des thermomètres.
Comment atteint-on l’équilibre thermique ?
L'équilibre thermique peut être atteint grâce à plusieurs mécanismes de transfert de chaleur : conduction, convection et rayonnement .
Conduite
La conduction est le processus par lequel la chaleur est transférée à travers un matériau solide.
Cela se produit lorsque les molécules situées dans une partie plus chaude de l’objet vibrent plus rapidement et transmettent leur énergie aux molécules adjacentes plus froides. Un bon exemple est lorsque vous touchez une cuillère en métal qui a été immergée dans une tasse de soupe chaude. La chaleur de la soupe est transférée à la cuillère par conduction, et si vous la tenez suffisamment longtemps, la cuillère deviendra suffisamment chaude pour que vous sentiez la température augmenter.
Convection
La convection est le processus par lequel la chaleur est transférée dans les fluides (liquides et gaz) par le mouvement des particules fluides.
Un exemple classique est une casserole d’eau sur une cuisinière. À mesure que l’eau au fond du pot se réchauffe, elle devient moins dense et remonte à la surface, tandis que l’eau plus froide, plus dense, coule. Ce cycle crée un courant de convection qui aide à répartir la chaleur uniformément dans le liquide.
Radiation
Enfin, nous avons le rayonnement, qui est le transfert de chaleur par les ondes électromagnétiques. Contrairement à la conduction et à la convection, le rayonnement ne nécessite pas de support physique pour le transfert de chaleur.
Un bon exemple de rayonnement est la façon dont nous ressentons la chaleur du soleil sur notre peau, même lorsque nous sommes à des millions de kilomètres. L'énergie thermique est transférée à travers le vide de l'espace par rayonnement électromagnétique.
Un autre exemple est celui des capteurs solaires, qui profitent du rayonnement solaire pour obtenir de l’eau chaude.
Facteurs affectant l'équilibre thermique
Plusieurs facteurs peuvent influencer la rapidité avec laquelle l’équilibre thermique est atteint entre deux corps.
- Différence de température initiale : Plus la différence de température entre deux corps est importante, plus le processus d'échange thermique est rapide. Par exemple, si vous versez de l’eau bouillante dans un verre à température ambiante, le processus de refroidissement initial sera rapide, mais il ralentira à mesure que l’eau et l’environnement se rapprocheront de la même température.
- Propriétés thermiques des matériaux : Certains matériaux sont de meilleurs conducteurs de chaleur que d'autres. Le métal, par exemple, est un bon conducteur de chaleur, alors que l’air ou le bois le sont moins. Ainsi, un objet métallique chauffera ou refroidira plus rapidement qu’un objet en bois lorsqu’il sera placé en contact avec une source de chaleur.
- Taille et forme des corps : La taille et la forme des corps affectent également la vitesse à laquelle l'équilibre thermique est atteint. Les objets plus petits ont tendance à atteindre l’équilibre thermique plus rapidement que les objets plus grands, car ils ont moins de masse à chauffer ou à refroidir. De plus, les objets ayant une plus grande surface auront un taux d’échange thermique plus élevé en raison de la plus grande surface de contact.
- Isolation : Une bonne isolation thermique peut ralentir le processus d'échange thermique et donc retarder l'atteinte de l'équilibre thermique. C'est pourquoi nous utilisons des isolants dans nos maisons ou des thermos pour garder le café au chaud. Ces matériaux n’empêchent pas complètement l’échange thermique, mais le rendent beaucoup plus lent.
Exemples pratiques d'équilibre thermique
Dans la vie quotidienne, on trouve de nombreux exemples d’équilibre thermique.
À partir du moment où vous entrez dans une douche chaude et sentez que votre corps commence à s'équilibrer avec la température de l'eau, jusqu'au moment où vous laissez une boisson froide sur la table et, au fil du temps, elle se réchauffe à température ambiante. Ce sont tous des processus d’équilibre thermique en action.
Un exemple plus intéressant est l'utilisation de thermomètres . Les thermomètres fonctionnent selon le principe de l’équilibre thermique.
Lorsque vous placez un thermomètre en contact avec quelque chose, par exemple votre peau, le liquide à l'intérieur du thermomètre (qui est souvent du mercure ou de l'alcool coloré) chauffe ou refroidit jusqu'à ce qu'il atteigne la même température que votre peau. Le thermomètre cesse de changer lorsque l’équilibre thermique est atteint, et nous pouvons alors lire la bonne température.
L'équilibre thermique et la deuxième loi de la thermodynamique
L’équilibre thermique est également étroitement lié à la deuxième loi de la thermodynamique, selon laquelle l’entropie d’un système fermé a toujours tendance à augmenter. En d’autres termes, les systèmes tendent naturellement vers un état d’équilibre, dans lequel l’énergie est distribuée uniformément et où il n’y a aucune différence de température pour générer le flux de chaleur.
Cela a des implications très importantes pour l’efficacité énergétique.
Par exemple, dans un moteur thermique, l’objectif est de profiter de l’écart de température entre deux corps pour effectuer un travail. Cependant, selon la deuxième loi de la thermodynamique, il y aura toujours des pertes d'énergie dues à la tendance du système à atteindre l'équilibre thermique.