Interprétation microscopique de la chaleur
L’énergie thermique, appelée aussi chaleur est une conséquence macroscopique de l’agitation microscopique des molécules et atomes du corps considéré, appelée « agitation thermique » .
L'énergie thermique est l'énergie cinétique désordonnée totale (rotationnelle, translationnelle et vibratoire) associée à un groupe de particules (habituellement des atomes, des ions et des électrons) à l'intérieur du corps.
La quantité de chaleur est l'énergie thermique transférée, par les collisions des particules, d'une région de haute température vers une région de basse température.
Tout corps stocke de l’énergie thermique car il est impossible d’arrêter totalement cette agitation thermique (cela correspondrait à une température du corps de – 273,15 °C soit 0 K, le zéro « absolu » (limite inatteignable).
L’énergie thermique est une énergie dites « dégradée » car, s’il est possible de transformer entièrement le travail en chaleur, la thermodynamique montre qu’il est impossible de transformer la totalité de la chaleur en travail. Ainsi, la chaleur est une forme d’énergie de moins bonne qualité que le travail.
Sources d’énergie thermique
- La géothermie
- de profondeur : consiste à capter la chaleur de la croûte terrestre provenant de sa radioactivité naturelle du noyau pour produire du chauffage ou de l’électricité. On utilise la chaleur des sources chaudes (geysers, régions volcaniques) ou des forages profonds (La température des roches augmente en moyenne de 1°C tous les 30 mètres de profondeur.)
- de surface : utilise la chaleur du sol qui, à une profondeur de 30cm, garde une température quasi-constante de 15°.(Cette chaleur provient du soleil et non de la croûte terrestre) dans des pompes à chaleurs et puits canadiens ou provençaux.
- Les fours solaires et autres panneaux solaires thermiques convertissent l’énergie solaire rayonnée en énergie thermique.
- La combustion d'un carburant qui transforme de l'énergie chimique en énergie thermique.
- L'effet Joules dans un circuit électrique transforme l'énergie électrique en énergie thermique.
- Les frottements comme sur un disque de frein échauffent le disque et le patin et transforment l'énergie mécanique en énergie thermique.
Transfert d’énergie thermique ou chaleur sensible
Toute élévation ou baisse de température d'un corps traduit une baisse ou augmentation de son énergie thermique.
L’énergie ainsi apportée est notée \( \Delta Q \) avec
| \( \Delta Q = m \times C \times \left( {{T_f} - {T_i}} \right)\) |
- \( Q \) l'énergie calorifique gagnée (si Q>0) ou perdue (siQ<0) en Joules \( J \)
- \( m \) en \( kg \)
- \( T_f \) et \( T_i \) les températures finales et initiales du système en \( K \) ou \( °C \)
- \( C \): capacité calorifique massique du corps en \( J.kg^{-1}.K^{-1} \) ou en \( J.kg^{-1}.°C^{-1} \). La capacité calorique du corps traduit la quantité de chaleur que peut contenir un corps par kg et par degré.
| Corps | \( C \) en \( J.kg^{-1}.°C^{-1} \) |
| Eau | 4185 |
| Brique | 840 |
| Béton | 880 |
| Bois | 1200~2700 |
| Aluminium | 897 |
Quelle est l'énergie nécessaire pour amener l'eau d'une bouilloire de 1,5 L de 15°C à 100°C.
En déduire le temps pour faire bouillir l'eau de cette bouilloire de puissance 2 kW.
1,5 L d'eau pèse 1,5 kg et sa capacité calorifique est de \( 4185 J.kg^{-1}.°C^{-1} \)
L'énergie nécessaire pour faire chauffer l'eau : \( \Delta Q = m \times C \times (T_f - T_i) = 1,5 \times 4185 \times (100-15) = 533 kJ \)
La puissance de chauffe étant de 2kW, le temps nécessaire est de \( \Delta t = {{ \Delta Q } \over { P }} = {{ 533 000 } \over { 2000 }} = 266 \)
Donc l'eau bout en 266 s.
Remarque
En tant qu’énergie du désordre au contraire du travail qui est l’énergie de l’ordre, la chaleur est qualifiée d’énergie dégradée. En effet, en thermodynamique (science des échanges d’énergie), on montre que s’il est possible de transformer totalement du travail en chaleur, la réciproque est fausse : il est impossible de transformer totalement de la chaleur en travail (c’est d’ailleurs l’un des énoncés du second principe de la thermodynamique). Ainsi, on considère que le stade ultime de transformation de l’énergie est l’obtention de chaleur.
Stephan Boltzmann donne la relation de l'énergie thermique \( E_K = \frac{3}{2} k_B T \)
De Boeck Supérieur: J.P. Pérez : l'explication de la température et de la vitesse.mp4 (9'55") Limite inférieure et de l'absence de limite supérieure. https://www.youtube.com/watch?v=TrD9SJHAncM
Chaleur latente de changement d'état
Le changement d'état est le passage d'une phase à une autre (ou d'un état à un autre : solide, liquide, gaz) d'un corps.
Cette transformation nécessite un transfert d'énergie à ce corps afin d'augmenter l'agitation des molécules permettant de briser les liaisons intermoléculaires (dans le cas de l'eau ce sont les liaisons hydrogènes qui sont plus nombreuses à l'état solide que liquide).
- Pour passer d'un état où les molécules sont fortement liées à un état où elle le sont moins (solide à liquide), il faut apporter de l'énergie à la matière pour rompre les liaisons : la variation d'énergie du corps pur est alors positive.
- Inversement, passer d'un état de faibles liaisons moléculaires à un état de fortes liaisons moléculaires induit une variation négative de l'énergie du corps pur.
Lors d'un changement d'état la pression et la température ne varient pas donc restent constantes.
Par définition, l'enthalpie (ou chaleur latente L) de changement d’état d’un corps pur de 1 kg, est l’énergie qu’il échange avec le milieu extérieur pour le changement d’état à température constante.
Remarques :
- \( L_F \) : enthalpie de changement d’état de fusion s’exprime en \( J.kg^{-1} \) ou \( kJ.kg^{-1} \).
- \( L_{vap} \) : enthalpie de changement d’état de vaporisation s’exprime en \( J.kg^{-1} \) ou \( kJ.kg^{-1} \).
| Corps | Enthalpie de fusion \( L_{fus} \) \( kJ.kg^{-1} \) | Température de fusion (p=1 atm) °C | Enthalpie de vaporisation \( L_{vap} \) \( kJ.kg^{-1} \) | Température de vaporisation (p=1 atm) °C |
| Eau | 334 | 0 | 2257 | 100 |
| Ammoniac | 332 | -77 | 1371 | -33,5 |
| Éthanol | 108 | -114 | 904 | 79 |
| Réfrigérant R134 a | -101 | 215.9 | -26.6 |
Par exemple, l'eau bout à 100 °C sous la pression d'une atmosphère (1 atm = 1 013,25 hPa) ; l'enthalpie de vaporisation spécifique de l'eau, égale à la quantité de chaleur fournie pour transformer 1 kg d'eau liquide en vapeur, est de 2 257 kJ/kg.
Lors d’un changement d’état à température constante, une masse échange avec l’extérieur l’énergie : \( \Delta Q \)
| \( \Delta Q = m \cdot L \) |
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QCM
- QCM Température et énergie interne : http://fabrice.sincere.free.fr/qcm/qcm.php?nom=qcm_temperature_prive
