Vous connaissez probablement les thermomètres et la prise de température, la sensation de chaud et de froid et ce qu'il faut pour faire bouillir de l'eau. Il est maintenant temps d'approfondir votre compréhension intuitive de la chaleur et de la température et d'apprendre comment les physiciens le font.
Dans cette introduction à la physique thermique, vous apprendrez ce que sont la chaleur et la température ainsi que les phénomènes auxquels cette branche de la physique s'applique.
L'étude de la chaleur et de la température
La physique thermique est l'étude de chaleur et température. La chaleur est définie comme l'énergie qui se transfère entre deux objets de températures différentes - passant de l'objet le plus chaud à l'objet le plus froid.
Chaleur est un type d'énergie thermique. L'énergie thermique est l'énergie associée au mouvement moléculaire dans un objet. À l'intérieur de n'importe quel objet, les molécules ne restent pas simplement immobiles; même si vous ne pouvez pas voir visiblement le mouvement, ils bougent tous et rebondissent les uns dans les autres.
Température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne par molécule. Vous êtes peut-être habitué à le mesurer en degrés Fahrenheit ou même Celsius, mais l'unité SI que les scientifiques préfèrent est le Kelvin.
Le total énergie interne un objet a dépend de sa masse, de sa température et la capacité thermique spécifique. La capacité thermique spécifique est une mesure de la quantité d'énergie thermique nécessaire pour élever la température d'une unité de masse de 1 degré. Différents matériaux ont des capacités thermiques spécifiques différentes, et la capacité thermique d'un matériau particulier peut généralement être consultée dans un tableau.
Transfert de chaleur
La chaleur peut être transférée d'un objet à un autre de trois manières principales. Ceux-ci sont:
- Conduction
- Convection
- Radiation
En conduction, les deux objets sont en contact physique et l'énergie thermique se déplace de l'objet le plus chaud vers l'objet le plus froid par des collisions directes entre les molécules des objets.
En convection, la chaleur est transférée par les courants de convection. Cela se produit lorsque vous faites bouillir de l'eau sur la cuisinière. L'eau au fond de la casserole se réchauffe d'abord, et à mesure qu'elle se réchauffe, elle se dilate, devenant moins dense. Étant moins dense, elle monte vers le haut de la casserole lorsque l'eau plus froide coule puis se réchauffe.
Dans le rayonnement, l'énergie thermique est transférée par rayonnement électromagnétique. C'est ainsi que vous obtenez l'énergie du soleil. Cette énergie voyage dans le vide de l'espace sous forme de rayonnement, qui réchauffe ensuite la Terre lorsqu'elle nous atteint.
Changements de phase
Lorsque de l'énergie thermique est ajoutée aux matériaux, leur température augmente. À certains endroits, appelés transitions de phase, le matériau change de phase. Les matériaux peuvent passer du solide au liquide et du liquide au gaz, et même du gaz au plasma.
Les températures auxquelles un changement de phase se produit dépendent du matériau lui-même et des conditions de pression. Ceci est étudié à l'aide d'un diagramme de phase.
La quantité d'énergie nécessaire pour changer la phase d'un matériau dépend de la chaleur latente de ce matériau. La chaleur latente de fusion d'un matériau est la quantité d'énergie thermique nécessaire pour changer une unité de masse de cette substance de solide à liquide. La chaleur latente de vaporisation d'un matériau est la quantité d'énergie thermique nécessaire pour le transformer d'un liquide en un gaz.
Thermodynamique
La physique thermique mène finalement à l'étude de la thermodynamique, qui est la branche de la physique qui étudie les systèmes thermiques changeants en utilisant la théorie cinétique et la mécanique statistique.
Il existe trois lois de la thermodynamique qui régissent les processus thermodynamiques. Ceux-ci sont appelés, simplement, la première loi de la thermodynamique, la deuxième loi de la thermodynamique et la troisième loi de la thermodynamique. Lorsque vous découvrirez ces lois pour la première fois, vous apprendrez généralement comment elles s'appliquent à un gaz parfait et utiliserez la loi des gaz parfaits.
La thermodynamique peut vous aider à comprendre comment fonctionnent les moteurs à vapeur, les réfrigérateurs, les pompes à chaleur et autres articles similaires.