Chaleur vs température: quelles sont les similitudes et les différences? (avec graphique)

Les gens utilisent parfois les termesChaufferetTempératurede manière interchangeable. Ils associent la chaleur au motchaudet comprendre la température comme étant également liée à la « chaleur » ou à la « froideur » de quelque chose. Peut-être diront-ils que la température un jour de printemps est juste parce que c'est juste la bonne quantité de chaleur.

En physique, cependant, ces deux quantités sont bien distinctes l'une de l'autre. Ce ne sont pas des mesures de la même chose et elles n'ont pas les mêmes unités, bien qu'elles puissent toutes les deux éclairer votre compréhension des propriétés thermiques.

Afin de comprendre la chaleur et la température à un niveau fondamental, il est d'abord important de comprendre le concept d'énergie interne. Bien que vous soyez familier avec les objets ayant une énergie cinétique due à leur mouvement, ou une énergie potentielle due à leur position, au sein d'un objet donné, les molécules elles-mêmes peuvent aussi avoir une forme de cinétique et de potentiel énergie.

Cette énergie cinétique et potentielle moléculaire est distincte de ce que vous pouvez voir en regardant, disons, une brique. Une brique posée sur le sol semble immobile et vous pouvez supposer qu'elle n'a aucune énergie cinétique ou potentielle associée. Et en effet, ce n'est pas dans le sens de votre compréhension de la mécanique de base.

Mais la brique elle-même est composée de nombreuses molécules qui subissent individuellement différents types de petits mouvements que vous ne pouvez pas voir. Les molécules peuvent également ressentir de l'énergie potentielle en raison de leur proximité avec d'autres molécules et des forces exercées entre elles. L'énergie interne totale de cette brique est la somme des énergies cinétique et potentielle des molécules elles-mêmes.

Comme vous l'avez probablement appris, l'énergie est conservée. Dans le cas où aucune force de friction ou de dissipation n'agit sur un objet, l'énergie mécanique est également conservée. C'est-à-dire que l'énergie cinétique peut se transformer en énergie potentielle et vice versa, mais le total reste constant. Cependant, lorsqu'une force telle que la friction agit, vous remarquerez peut-être que l'énergie mécanique totale diminue. En effet, l'énergie a pris d'autres formes telles que l'énergie sonore ou l'énergie thermique.

Lorsque vous vous frottez les mains par temps froid, vous convertissez l'énergie mécanique en énergie thermique. C'est-à-dire que l'énergie cinétique de vos mains se déplaçant l'une contre l'autre a changé de forme et est devenue l'énergie cinétique des molécules dans vos mains les unes par rapport aux autres. La moyenne de cette énergie cinétique dans les molécules dans vos mains est ce que les scientifiques définissent comme la température.

La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne par molécule dans une substance. Notez que ce n'est pas la même chose que l'énergie interne de la substance car elle n'inclut pas l'énergie potentielle et n'est pas non plus une mesure de l'énergie totale dans la substance. Au lieu de cela, c'est l'énergie cinétique totale divisée par le nombre de molécules. En tant que tel, cela ne dépend pas de la quantité de quelque chose que vous avez (comme le fait l'énergie interne totale), mais plutôt de la quantité d'énergie cinétique que la molécule moyenne de la substance transporte.

La température peut être mesurée dans de nombreuses unités différentes. Parmi ceux-ci se trouvent Fahrenheit, qui est le plus courant aux États-Unis et dans quelques autres endroits. Sur l'échelle Fahrenheit, l'eau gèle à 32 degrés et bout à 212. Une autre échelle courante est l'échelle Celsius, utilisée dans de nombreux autres endroits dans le monde. À cette échelle, l'eau gèle à 0 degré et bout à 100 degrés (ce qui donne une idée assez précise de la façon dont cette échelle a été conçue).

Mais la norme scientifique est l'échelle Kelvin. Alors que la taille d'un incrément sur l'échelle Kelvin est la même qu'un degré Celsius, l'échelle Kelvin commence à une température appelée zéro absolu, où tout mouvement moléculaire s'arrête. En d'autres termes, il démarre à la température la plus froide possible.

Zéro degré Celsius correspond à 273,15 sur l'échelle Kelvin. L'échelle Kelvin est la norme scientifique pour une bonne raison. Supposons que quelque chose soit à 0 degré Celsius. Qu'est-ce que cela signifierait de dire qu'un deuxième objet a deux fois la température? Cet élément serait-il également à 0 Celsius? Eh bien sur l'échelle Kelvin, cette notion ne pose aucun problème, et c'est précisément parce qu'elle commence au zéro absolu.

Considérez deux substances ou objets à des températures différentes. Qu'est-ce que ça veut dire? Cela signifie qu'en moyenne, les molécules de l'une des substances (celle à plus haute température) sont se déplaçant avec une énergie cinétique moyenne supérieure à celle des molécules à basse température substance.

Si ces deux substances entrent en contact, sans surprise, l'énergie commence à se répartir entre les substances au fur et à mesure que des collisions microscopiques se produisent. La substance qui était initialement à la température la plus élevée se refroidira à mesure que l'autre substance augmentera de température jusqu'à ce qu'elles soient toutes les deux à la même température. Les scientifiques appellent cet état finaléquilibre thermique​.

L'énergie thermique qui est transférée de l'objet le plus chaud à l'objet le plus froid est ce que les scientifiques appellent la chaleur. La chaleur est la forme d'énergie transférée entre deux matériaux qui sont à des températures différentes. La chaleur s'écoule toujours du matériau à température élevée vers le matériau à température inférieure jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit atteint.

Puisque la chaleur est une forme d'énergie, l'unité SI de la chaleur est le joule.

Comme vous l'avez vu par les définitions précédentes, la chaleur et la température sont en effet deux mesures physiques distinctes. Voici quelques-unes de leurs différences :

​Ils sont mesurés dans différentes unités.L'unité SI pour la température est le Kelvin, et l'unité SI pour la chaleur est le joule. Le Kelvin est considéré comme une unité de base, ce qui signifie qu'il ne peut pas être décomposé en une combinaison d'autres unités fondamentales. Le joule équivaut à un kgm²/s².

​Ils diffèrent par leur dépendance au nombre de molécules.La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne par molécule, ce qui signifie que peu importe la quantité de substance que vous avez lorsque vous parlez de température. Cependant, la quantité d'énergie thermique qui peut être transférée entre les substances dépend beaucoup de la quantité de chaque substance dont vous disposez.

​Ce sont différents types de variables.La température est connue comme une variable d'état. C'est-à-dire qu'il définit l'état dans lequel se trouve une substance ou un objet. La chaleur, quant à elle, est une variable de processus. Il décrit un processus en cours - dans ce cas, l'énergie transférée. Cela n'a pas de sens de parler de chaleur quand tout est en équilibre.

​Ils sont mesurés différemment.La température est mesurée avec un thermomètre, qui est généralement un appareil qui utilise la dilatation thermique pour modifier la lecture sur une échelle. La chaleur, quant à elle, est mesurée avec un calorimètre.

Cependant, la chaleur et la température ne sont pas totalement indépendantes :

​Ce sont deux quantités importantes en thermodynamique.L'étude de l'énergie thermique repose sur la capacité de mesurer la température ainsi que la capacité de suivre les transferts de chaleur.

​Le transfert de chaleur est entraîné par les différences de température.Lorsque deux objets sont à des températures différentes, l'énergie thermique sera transférée du plus chaud au plus froid jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit atteint. En tant que telles, ces différences de température sont le moteur du transfert de chaleur.

​Ils ont tendance à augmenter et à diminuer ensemble.Si de la chaleur est ajoutée à un système, la température augmente. Si la chaleur est retirée d'un système, la température baisse. (Une exception à cela se produit avec les transitions de phase, auquel cas l'énergie thermique est utilisée pour provoquer une transition de phase au lieu d'un changement de température.)

​Ils sont liés les uns aux autres par une équation.Énergie thermiqueQest lié à un changement de températureTvia l'équation Q = mcΔT oùmest la masse de la substance etcest sa capacité thermique spécifique (c'est-à-dire une mesure de la quantité d'énergie thermique nécessaire pour élever une unité de masse d'un degré Kelvin pour une substance particulière.)

L'énergie interne est l'énergie cinétique et potentielle interne totale, ou l'énergie thermique dans un matériau. Pour un gaz parfait, dans lequel l'énergie potentielle entre les molécules est négligeable, l'énergie interneEest donnée par la formule E = 3/2nRT oùmest le nombre de moles du gaz et la constante universelle des gazR= 8,3145 J/molK.

La relation entre l'énergie interne et la température montre que, sans surprise, à mesure que la température augmente, l'énergie thermique augmente. L'énergie interne devient également 0 à 0 Kelvin absolu.

La chaleur entre en jeu lorsque vous commencez à regarder les changements dans l'énergie interne. La première loi de la thermodynamique donne la relation suivante :

oùQest la chaleur ajoutée au système etWest le travail effectué par le système. En substance, il s'agit d'une déclaration de conservation de l'énergie. Lorsque vous ajoutez de l'énergie thermique, l'énergie interne augmente. Si le système fonctionne sur son environnement, l'énergie interne diminue.

Comme mentionné précédemment, l'énergie thermique ajoutée à un système entraîne généralement une augmentation de température correspondante à moins que le système ne subisse un changement de phase. Pour regarder cela de plus près, considérons un bloc de glace qui commence sous le point de congélation alors que l'énergie thermique est ajoutée à un taux constant.

Si de l'énergie thermique est ajoutée en continu pendant que le bloc de glace se réchauffe jusqu'au point de congélation, subit un changement de phase pour devenir de l'eau, puis continue de se réchauffer jusqu'à ce qu'il atteigne l'ébullition, où il subit un autre changement de phase pour devenir de la vapeur, le graphique de la température en fonction de la chaleur ressemblera à ce qui suit :

Alors que la glace est sous le point de congélation, il existe une relation linéaire entre l'énergie thermique et la température. Ceci n'est pas surprenant comme il se doit, étant donné l'équation Q = mcΔT. Une fois que la glace atteint la température de congélation, cependant, toute énergie thermique ajoutée doit être utilisée pour l'aider à changer de phase. La température reste constante même si de la chaleur est toujours ajoutée. L'équation qui relie l'énergie thermique à la masse lors d'un changement de phase de solide à liquide est la suivante :

oùL_Fest la chaleur latente de fusion - une constante relative à la quantité d'énergie requise par unité de masse pour provoquer le passage du solide au liquide.

Ainsi, jusqu'à ce qu'une quantité de chaleur égale àml_Fa été ajouté, la température reste constante.

Une fois toute la glace fondue, la température augmente à nouveau linéairement jusqu'à atteindre le point d'ébullition. Ici encore, un changement de phase se produit, cette fois du liquide au gaz. L'équation reliant la chaleur à la masse pendant ce changement de phase est très similaire :

oùL_vest la chaleur latente de vaporisation - une constante relative à la quantité d'énergie requise par unité de masse pour provoquer le passage du liquide au gaz. Ainsi, la température reste à nouveau constante jusqu'à ce que suffisamment d'énergie thermique ait été ajoutée. Notez qu'il reste constant plus longtemps cette fois. C'est parce queL_vest généralement plus élevé queL_Fpour une substance.

La dernière partie du graphique montre à nouveau la même relation linéaire que précédemment.