L'énergie thermique, aussi appeléeénergie thermiqueou simplementChauffer, est un type deinterneénergie qu'un objet possède en raison de l'énergie cinétique de ses particules constitutives.
L'énergie elle-même, bien qu'assez facile à définir en termes mathématiques, est parmi les quantités les plus insaisissables en physique en termes de ce qu'elle fondamentalementest. Il existe de nombreuses formes d'énergie, et il est plus facile de définir l'énergie en fonction des limites de son comportement arithmétique que de la définir dans un langage précis.
contrairement àtraductionnelou alorsrotationnell'énergie cinétique, qui résulte du mouvement sur une certaine distance linéaire ou dans un cercle, respectivement (et ceux-ci peuvent se produire ensemble, comme avec un lancer Frisbee), l'énergie thermique provient du mouvement d'un grand nombre de minuscules particules, mouvement qui peut être considéré comme une vibration autour de points fixes dans espace.
En moyenne, chaque particule se trouve à un endroit particulier dans le système étendu lorsqu'elle erre frénétiquement sur ce point, même si à aucun moment la particule n'est statistiquement susceptible d'être trouvé là-bas. C'est un peu comme la position moyenne de la Terre au fil du temps étant proche du centre du soleil même si cet arrangement (heureusement !) ne se produit jamais.
Chaque fois que deux matériaux entrent en contact, y compris l'air,frictionrésultats, et une partie de l'énergie totale du système - qui, comme vous le verrez, doit toujours rester constante - est transformée en énergie thermique.
L'objet et son environnement subissent une augmentation deTempérature, qui est lemanifestation quantifiable de l'énergie thermique et du transfert de chaleur, mesuré en degrés Celsius (°C), degrés Fahrenheit (°F) ou Kelvin (K). Lorsque les objets perdent de la chaleur, ils chutent à une température plus basse.
Qu'est-ce que l'énergie ?
L'énergie se présente sous diverses formes ainsi que diverses unités, la plus courante étant lajoules (J), du nom de James Prescott Joule. Le joule lui-même a des unités de force fois la distance, ou newton-mètres (N⋅m). Plus fondamentalement, les unités d'énergie sont le kg⋅m2/s2.
Un concept étroitement lié à l'énergie esttravail, qui a des unitésdel'énergie mais n'est pas considéréecommeénergie par les physiciens. On peut dire que le travail est "fait sur" unsystèmeen y ajoutant de l'énergie, ce qui entraîne une modification physique du système (par exemple, il déplace un piston ou fait tourner une bobine magnétique, c'est-à-dire qu'il effectue un travail utile). Un système est toute installation physique avec des limites clairement définies, qui peut même être la Terre dans son ensemble.
En plus de l'énergie thermique (généralement écrite Q) et de l'énergie cinétique (la sorte linéaire ou rotationnelle "normale"), d'autres types d'énergie comprennenténergie potentielle, énergie mécaniqueeténergie électrique. L'aspect critique de l'énergie est que, peu importe comment elle apparaît dans un système, elle est toujoursconservé.
L'énergie thermique: la forme d'énergie la moins utile
Lorsqu'il y a transfert d'énergie thermique vers l'environnement (c'est-à-dire qu'elle « se dissipe » ou « est perdue »), de bien sûr, aucune énergie n'est réellement détruite de quelque façon que ce soit, car cela violerait la conservation de énergie.
Cette chaleur, cependant, ne peut pas être entièrement récupérée et réutilisée, c'est pourquoi on l'appelle une forme d'énergie moins utile. Chaque fois que vous passez devant un bâtiment ou un évent au sol en hiver et qu'un nuage sans fin de vapeur ou d'air chaud s'écoule, c'est un exemple clair d'énergie thermique qui est une énergie « inutile ». D'autre part, unmoteur thermiquecomme celui des voitures à essence utilise l'énergie thermique pour l'énergie mécanique.
Énergie thermique et température
La température d'un objet ou d'un système est une mesure de lamoyennel'énergie cinétique de translation par molécule de cet objet, tandis que l'énergie thermique est l'énergie interne totale du système. Lorsque des particules se déplacent, il y a toujours de l'énergie cinétique. Le déplacement de la chaleur vers le haut contre un gradient de température nécessite un travail, comme l'utilisation de pompes à chaleur.
La chaleur et le monde de tous les jours
L'énergie thermique peut apparaître ici comme une quantité malveillante, mais elle peut être et est utilisée à bon escient dans la cuisine et dans d'autres domaines. Lorsque vous digérez des aliments, vous convertissez l'énergie chimique des liaisons dans les glucides, les protéines et les graisses en chaleur ("calories" au lieu de joules en termes courants).
Frictiongénère de la chaleur, souvent à la va-vite. Si vous vous frottez les mains rapidement, elles se réchaufferont rapidement. Une arme automatique tire des balles du canon si rapidement que le métal devient dangereusement chaud au toucher presque immédiatement.
Énergie thermique et conservation de l'énergie: exemple
Considérez une bille roulant à l'intérieur d'un bol. Le « système » comprend également l'environnement (c'est-à-dire la Terre dans son ensemble). Au fur et à mesure qu'il monte sur le côté, une plus grande partie de son énergie totale est convertie en énergie potentielle gravitationnelle; à mesure qu'il accélère près du fond, une plus grande partie de cette énergie est transformée en énergie cinétique. Si c'était toute l'histoire, la bille continuerait à monter et à descendre pour toujours, atteignant les mêmes hauteurs et vitesses à chaque cycle.
Au lieu de cela, chaque fois que la bille monte sur le côté, elle monte un peu moins haut et sa vitesse en bas est un peu moindre, jusqu'à ce que finalement la bille s'immobilise en bas. C'est parce que tout le temps que la bille roulait, de plus en plus de la "tarte" à énergie totale était convertie à une "tranche" d'énergie thermique de plus en plus grande et dissipée dans l'environnement, non utilisable par le marbre. En bas, toute l'énergie du système est « devenue » énergie thermique.
Équation de l'énergie thermique: capacité calorifique
L'une des équations que vous pouvez rencontrer est celle decapacité thermique:
Q=mC\Delta T
oùQest l'énergie thermique en joules,mest la masse de l'objet chauffé,Cest l'objetchaleur spécifique capacitéetdelta Test son changement de température en Celsius. La capacité calorifique spécifique d'une substance est laquantité d'énergie nécessaire pour élever la température de 1 gramme de cette substance de 1 degré Celsius.
Des capacités thermiques plus élevées impliquent donc une plus grande résistance au changement de température pour une masse donnée d'une substance, et plus de masse signifie en soi une capacité thermique plus élevée. Cela a un sens intuitif; si vous avez exposé 10 ml d'eau à « élevé » dans un micro-ondes pendant une minute, le changement de température sera important plus grand que si vous chauffiez 1 000 ml d'eau en commençant à la même température pendant la même durée.
Les lois de la thermodynamique
La thermodynamique est l'étude de la façon dont le travail, la chaleur et l'énergie interne interagissent dans un système. Il est important de noter qu'il ne concerne que les observations à grande échelle qui peuvent être mesurées; la théorie cinétique des gaz aborde les interactions au niveau vibrationnel.
La première loi de la thermodynamiqueindique que les changements d'énergie interne peuvent être expliqués par des pertes de chaleur: ΔE = Q – W, oùEest le changement d'énergie interne (Δ est la lettre grecque "delta" et signifie ici "différence"),Qest la quantité d'énergie thermique transféréedansle système etWle travail est-il faitparle système sur les environs.
La deuxième loi de la thermodynamiquestipule que chaque fois que le travail est effectué, le montant deentropiedans l'atmosphère augmente. Ainsi, le flux d'énergie thermique fait continuellement augmenter l'entropie.
- Entropie (S) est une variable d'état, une propriété thermodynamique d'un système qui signifie vaguement "désordre", et son mouvement peut être exprimé comme
\Delta S=\frac{\Delta Q}{T}
La troisième loi de la thermodynamiqueaffirme que l'entropieSd'un système s'approche d'une valeur constante lorsque la températureTs'approchezéro absolu(0 K, ou -273 C).
Lorsqu'un objet est à une température plus élevée qu'un objet proche, cette différence de température favorise le transfert d'énergie sous forme de chaleur vers l'objet le plus froid.
Il existe trois manières fondamentales de provoquer le transfert de chaleur d'un objet à un autre :Conduction(contact direct),convection(mouvement à travers un liquide ou un gaz) et thermiqueradiation(mouvement dans l'espace).
