Chaleur (physique): définition, formule et exemples

Tout le monde connaît le concept d'avoir trop chaud ou trop froid ou de ressentir la chaleur du soleil par une journée chaude, mais que signifie précisément le mot « chaleur »? Est-ce une propriété de quelque chose de « chaud »? Est-ce la même chose que la température? Il s'avère que la chaleur est une quantité mesurable que les physiciens ont définie avec précision.

La chaleur est ce que les scientifiques appellent la forme d'énergie qui est transférée entre deux matériaux de température différente. Ce transfert d'énergie se produit en raison des différences d'énergie cinétique de translation moyenne par molécule dans les deux matériaux. La chaleur s'écoule du matériau à température plus élevée vers le matériau à température plus basse jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit atteint. L'unité SI de chaleur est le joule, où 1 joule = 1 newton × mètre.

Pour mieux comprendre ce qui se passe lorsque ce transfert d'énergie se produit, imaginez le scénario suivant: Deux conteneurs différents sont remplis de minuscules balles en caoutchouc rebondissant tout autour. Dans l'un des conteneurs, la vitesse moyenne des billes (et donc leur énergie cinétique moyenne) est bien supérieure à la vitesse moyenne des billes du second conteneur (bien que la vitesse de n'importe quelle balle individuelle puisse être n'importe quoi à n'importe quel moment car tant de collisions provoquent un transfert continu d'énergie entre le des balles.)

Si vous placez ces conteneurs de manière à ce que leurs côtés se touchent, puis que vous enlevez les parois séparant leur contenu, à quoi vous attendriez-vous ?

Les balles du premier conteneur commenceront à interagir avec les balles du deuxième conteneur. Au fur et à mesure que se produisent de plus en plus de collisions entre les balles, les vitesses moyennes des balles des deux conteneurs deviennent progressivement les mêmes. Une partie de l'énergie des billes du premier conteneur est transférée aux billes du deuxième conteneur jusqu'à ce que ce nouvel équilibre soit atteint.

C'est essentiellement ce qui se passe à un niveau microscopique lorsque deux objets de température différente entrent en contact l'un avec l'autre. L'énergie de l'objet à température plus élevée est transférée sous forme de chaleur à l'objet à température plus basse.

La température est une mesure de l'énergie cinétique de translation moyenne par molécule dans une substance. Dans l'analogie des balles dans un conteneur, il s'agit d'une mesure de l'énergie cinétique moyenne par balle dans un conteneur donné. Au niveau moléculaire, les atomes et les molécules vibrent et se tortillent tous. Vous ne pouvez pas voir ce mouvement parce qu'il se produit à une si petite échelle.

Les échelles de température courantes sont Fahrenheit, Celsius et Kelvin, Kelvin étant la norme scientifique. L'échelle Fahrenheit est la plus courante aux États-Unis. À cette échelle, l'eau gèle à 32 degrés et bout à 212 degrés. Sur l'échelle Celsius, qui est courante dans la plupart des autres endroits du monde, l'eau gèle à 0 degré et bout à 100 degrés.

La norme scientifique, cependant, est l'échelle Kelvin. Alors que la taille d'un incrément sur l'échelle Kelvin est la même que la taille d'un degré sur l'échelle Celsius, sa valeur 0 est définie à un endroit différent. 0 Kelvin est égal à -273,15 degrés Celsius.

Pourquoi un choix si étrange pour 0? Il s'avère que c'est un choix beaucoup moins étrange que la valeur zéro de l'échelle Celsius. 0 Kelvin est la température à laquelle tout mouvement moléculaire s'arrête. C'est la température absolue la plus froide théoriquement possible.

Dans cette optique, l'échelle Kelvin a beaucoup plus de sens que l'échelle Celsius. Pensez à la façon dont la distance est mesurée, par exemple. Il serait étrange de créer une échelle de distance où la valeur 0 équivaudrait à la marque de 1 m. À une telle échelle, qu'est-ce que cela signifierait pour quelque chose d'être deux fois plus long qu'autre chose ?

L'énergie interne totale d'une substance est le total des énergies cinétiques de toutes ses molécules. Cela dépend de la température de la substance (l'énergie cinétique moyenne par molécule) et de la quantité totale de la substance (le nombre de molécules).

Il est possible que deux objets aient la même énergie interne totale tout en ayant des températures totalement différentes. Par exemple, un objet plus froid aura une énergie cinétique moyenne inférieure par molécule, mais si le nombre de molécules est grande, alors il peut toujours se retrouver avec la même énergie interne totale d'un objet plus chaud avec moins molécules.

Un résultat surprenant de cette relation entre l'énergie interne totale et la température est le fait qu'un grand bloc de glace peut finir avec plus d'énergie qu'une tête d'allumette allumée, même si la tête d'allumette est si chaude qu'elle est allumée Feu!

Il existe trois méthodes principales par lesquelles l'énergie thermique est transférée d'un objet à un autre. Ce sont la conduction, la convection et le rayonnement.

​Conductionse produit lorsque l'énergie est transférée directement entre deux matériaux en contact thermique l'un avec l'autre. C'est le type de transfert qui se produit dans l'analogie de la balle en caoutchouc décrite plus haut dans cet article. Lorsque deux objets sont en contact direct, l'énergie est transférée via des collisions entre leurs molécules. Cette énergie se déplace lentement du point de contact au reste de l'objet initialement plus froid jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit atteint.

Cependant, tous les objets ou substances ne conduisent pas aussi bien l'énergie de cette manière. Certains matériaux, appelés bons conducteurs thermiques, peuvent transférer l'énergie thermique plus facilement que d'autres matériaux, appelés bons isolants thermiques.

Vous avez probablement déjà fait l'expérience de tels conducteurs et isolants dans votre vie quotidienne. Par une froide matinée d'hiver, comment marcher pieds nus sur un sol carrelé se compare-t-il à marcher pieds nus sur un tapis? Il semble probablement que le tapis soit plus chaud, mais ce n'est pas le cas. Les deux sols ont probablement la même température, mais le carreau est un bien meilleur conducteur thermique. Pour cette raison, l'énergie thermique quitte votre corps beaucoup plus rapidement.

​Convectionest une forme de transfert de chaleur qui se produit dans les gaz ou les fluides. Les gaz, et dans une moindre mesure les fluides, subissent des changements de densité avec la température. En général, plus ils sont chauds, moins ils sont denses. Pour cette raison, et parce que les molécules dans les gaz et les fluides sont libres de se déplacer, si la partie inférieure devient chaude, elle se dilatera et montera donc vers le haut en raison de sa densité plus faible.

Si vous placez une casserole d'eau sur la cuisinière, par exemple, l'eau au fond de la casserole se réchauffe, se dilate et monte vers le haut à mesure que l'eau plus froide coule. L'eau plus froide se réchauffe alors, se dilate et monte et ainsi de suite, créant des courants de convection qui provoquent la dispersion de l'énergie thermique dans le système via le mélange. des molécules dans le système (par opposition aux molécules qui restent toutes à peu près au même endroit alors qu'elles se tortillent d'avant en arrière, rebondissant dans chaque autre.)

La convection est la raison pour laquelle les appareils de chauffage fonctionnent mieux pour réchauffer une maison s'ils sont placés près du sol. Un radiateur placé près du plafond réchaufferait l'air près du plafond, mais cet air resterait en place.

La troisième forme de transfert de chaleur estradiation. Le rayonnement est le transfert d'énergie via des ondes électromagnétiques. Les objets chauds peuvent dégager de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. C'est ainsi que l'énergie thermique du soleil atteint la Terre, par exemple. Une fois que ce rayonnement entre en contact avec un autre objet, les atomes de cet objet peuvent gagner de l'énergie en l'absorbant.

Deux matériaux différents de la même masse subiront des changements de température différents malgré la même énergie totale ajoutée en raison de différences dans une quantité appeléela capacité thermique spécifique. La capacité thermique spécifique dépend du matériau en question. Vous rechercherez généralement la valeur de la capacité thermique spécifique d'un matériau dans un tableau.

Plus formellement, la capacité thermique spécifique est définie comme la quantité d'énergie thermique qui doit être ajoutée par unité de masse afin d'élever la température d'un degré Celsius. Les unités SI pour la capacité thermique spécifique, généralement désignées parc, sont J/kgK.

Pensez-y comme ceci: supposons que vous ayez deux substances différentes qui pèsent exactement le même et sont exactement à la même température. La première substance a une capacité thermique spécifique élevée et la seconde substance a une capacité thermique spécifique faible. Supposons maintenant que vous ajoutez exactement la même quantité d'énergie thermique aux deux. La première substance – celle avec la capacité calorifique la plus élevée – n'augmentera pas autant en température que la seconde substance.

De nombreux facteurs affectent la façon dont la température d'une substance change lorsqu'une quantité donnée d'énergie thermique lui est transférée. Ces facteurs incluent la masse du matériau (une masse plus petite subira un changement de température plus important pour une quantité donnée de chaleur ajoutée) et la capacité thermique spécifiquec​.

S'il y a une source de chaleur fournissant de l'énergieP, alors la chaleur totale ajoutée dépend dePet le tempst. c'est-à-dire que l'énergie thermiqueQsera égalP​ × ​t​.

Le taux de changement de température est un autre facteur intéressant à considérer. Les objets changent-ils de température à un rythme constant? Il s'avère que le taux de changement dépend de la différence de température entre l'objet et son environnement. La loi de refroidissement de Newton décrit ce changement. Plus un objet est proche de la température ambiante, plus il approche lentement de l'équilibre.

La formule qui relie le changement de température à la masse d'un objet, à sa capacité thermique spécifique et à l'énergie thermique ajoutée ou retirée est la suivante :

Cette formule ne s'applique cependant que si la substance ne subit pas de changement de phase. Lorsqu'une substance passe du solide au liquide ou du liquide au gaz, la chaleur qui lui est ajoutée est mise à utiliser provoquant ce changement de phase et n'entraînera pas de changement de température tant que le changement de phase n'est pas Achevée.

Une quantité appelée chaleur latente de fusion, notéeL_F, décrit la quantité d'énergie thermique par unité de masse nécessaire pour transformer une substance solide en liquide. Tout comme pour la capacité thermique massique, sa valeur dépend des propriétés physiques du matériau en question et est souvent recherchée dans des tableaux. L'équation qui relie l'énergie thermiqueQà la masse d'un matériaumet la chaleur latente de fusion est :

La même chose se produit lors du passage du liquide au gaz. Dans une telle situation, une quantité appelée chaleur latente de vaporisation, notéeL_v, décrit la quantité d'énergie par unité de masse qui doit être ajoutée pour provoquer le changement de phase. L'équation résultante est identique à l'exception de l'indice :

Énergie interneEest l'énergie cinétique interne totale, ou énergie thermique, dans un matériau. En supposant un gaz parfait où toute énergie potentielle entre les molécules est négligeable, elle est donnée par la formule :

oùmest le nombre de moles,Test la température en Kelvin et la constante universelle des gazR= 8,3145 J/molK. L'énergie interne devient 0 J à 0 K absolu.

En thermodynamique, les relations entre les changements d'énergie interne, la chaleur transférée et le travail effectué sur ou par un système sont liées via :

Cette relation est connue comme la première loi de la thermodynamique. Il s'agit essentiellement d'une déclaration de conservation de l'énergie.