Vous savez par expérience que lorsque la valeur d'un thermomètre indiquant Température augmente, les conditions ambiantes deviennent plus chaudes. Lorsque cette valeur chute, les conditions ambiantes deviennent plus froides. Vous savez également probablement qu'il existe plusieurs échelles de température communes utilisées pour quantifier ce phénomène avec précision.
Si des changements de température indiquent d'une manière ou d'une autre un gain ou une perte de Chauffer à proximité, existe-t-il un moyen de capturer la corrélation? Autrement dit, un changement de température donné (disons, en degrés Celsius ou °C) peut-il être corrélé avec un gain ou une perte de chaleur donné – en supposant que la « chaleur » est même une chose qui peut être mesurée avec précision en physique ?
En effet, il est possible de corréler les changements de température avec les gains ou les pertes de chaleur, en unités de chaleur utiles telles que les kilojoules (kJ), tant que vous savez littéralement à quoi vous avez affaire.
La température et ses échelles
La température est une quantité mesurée par un appareil appelé thermomètre. Elle est mathématiquement dérivée de l'énergie cinétique moyenne des particules (atomes et molécules) dans un système, tel qu'un conteneur fermé ou une pièce.
L'énergie cinétique est l'énergie du mouvement. Lorsque de minuscules particules traversent l'air, elles entrent en collision les unes avec les autres et les collisions libèrent de la chaleur. Plus la vitesse moyenne des particules dans le système est rapide, plus elles entreront en collision et plus la chaleur sera libérée, augmentant la température mesurée.
L'unité SI de température est la Kelvin (K). Ce n'est pas un degré et n'a donc pas de symbole associé, contrairement au cas des degrés Celsius et Fahrenheit. Cependant, K et °C ont la même amplitude dans le sens où une augmentation de 1 K et une augmentation de 1 °C représentent le même changement physique. Mais les échelles sont décalées de telle sorte que °C = -273,15 K, et la valeur théorique minimale de K est 0.
De plus, (9/5)°C + 32 = °F.
Énergie, chaleur et leurs unités
Vous connaissez sans doute le terme calorie comme l'une des nombreuses façons de mesurer ce que la nourriture que vous mangez livre à la machinerie cellulaire de votre système. Certaines sources prétendent que la calorie a des unités d'énergie; d'autres disent qu'il faut des unités de chaleur. En fait, les deux affirmations sont vraies, car la chaleur est l'un des divers sous-types de la quantité "officielle" - bien qu'insaisissable à cerner - en physique connue sous le nom d'énergie.
Alors que la calorie (cal) est la base de la plupart des conversations publiques aux États-Unis sur l'énergie fournie par les aliments, ce n'est pas l'unité utilisée dans les manuels et les revues de physique. L'unité internationale standard (SI) d'énergie, et donc de chaleur, est la joule (J).
1 calorie = 4,18 J, mais la « calorie » que vous voyez sur les étiquettes des aliments est en fait une kilocalorie (kcal) ou 1 000 calories réelles. Ainsi, 1 « calorie » par étiquetage nutritionnel équivaut en réalité à 4 180 joules, soit 4,18 kJ.
Comment la chaleur et la température sont-elles liées?
Vous avez vu comment la température est liée à la chaleur. Mais comment la taille du « degré » a-t-elle été déterminée en premier lieu? Les gens devaient avoir un moyen de marquer les points sur l'échelle de température entre « congelé » et « bouillis » et d'attribuer des numéros à ces intervalles.
En l'occurrence, si vous ajoutez une quantité donnée de chaleur (Q) en joules à un système, ou retirer de la chaleur de ce système, vous pouvez déterminer de combien la température du système va changer (T) en Celsius à condition de connaître la masse du système (souvent un échantillon d'eau) m en grammes et son chaleur spécifique c, qui varie d'une substance à l'autre :
Q =mc(∆T)
Pour l'eau, c = 1 cal/(g)(°C) = 4,186 J/(g)(°C).
Exemple: Si vous avez un échantillon d'un litre d'eau, dont la masse est de 1 000 g, quelle quantité d'énergie en kJ est nécessaire pour réchauffer l'échantillon de 1 °C ?
Q =mc(∆T) = (1 000 g) (4,186 J/g °C ) (1 °C) = 4 186 = 4,186 kJ.
Rappelez-vous qu'il s'agit de la quantité d'énergie contenue dans une seule « calorie » d'aliment. C'est étrange quand on considère que, disons, 1 L de soda sucré contient environ 400 fois cette quantité, mais le corps gère les « calories » bien différemment d'un simple pot d'eau.