Echanges de chaleur

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Objectifs

  • Etendre le principe de conservation d’énergie à la notion de chaleur et l’appliquer aux états de la matière (changement de température, changement d’état physique) ;
  • Enoncer le premier et le deuxième principe de la thermodynamique et expliquer leurs conséquences ;
  • Décrire les 3 modes de transfert de la chaleur et les identifier dans des cas concrets ;
  • Connaître et savoir utiliser la relation entre chaleur et température.

L’apport de chaleur à un corps peut entrainer une augmentation de sa température. A l’inverse la température d’un corps diminue s’il perd de la chaleur.

Chaleur massique

Pour une matière donnée, la chaleur massique (c) correspond à la quantité d’énergie thermique qu’on doit fournir à 1 kg de cette matière pour augmenter sa température d’un degré.

La chaleur massique dépend, en plus de la matière, de l’état de ce dernier:

La chaleur massique liquide correspond à la quantité d’énergie thermique qu’on doit fournir à 1 kg de cette matière, à l’état liquide, pour augmenter sa température d’un degré. La chaleur massique solide correspond à la quantité d’énergie thermique qu’on doit fournir à 1 kg de cette matière, à l’état solide, pour augmenter sa température d’un degré.

Lorsqu’un kg de matière perd un degré, la chaleur libérée est aussi égale à la chaleur massique.

Relation entre chaleur et température

Changements de température

L’apport de l’énergie thermique (ΔQ) modifie la température de la matière (ΔT). L’énergie nécessaire pour modifier la température dépend aussi de la masse (m) et de la chaleur massique de la matière (c).

ΔQ = mcΔT

ΔQ : énergie thermique (J)
m : masse (kg)
c : chaleur massique liquide ou solide (J/kg)
ΔT: variation de température (K)

Pour utiliser ce modèle vous devez vous assurez que l’apport d’énergie n’a pas provoqué un changement d’état. Par exemple si un morceau de glace à -5 °C est transformé en eau à 20 °C, vous devez calculer l’énergie mise en jeu pour les différents étapes séparément :

  • glace solide de -5°C → glace à 0°C (température de fusion de l’eau),
  • fusion (glace à °C → l’eau à 0°C, voir plus bas : Changements d’état)
  • eau à 0°C → eau à 15°C

Calorimètre

Un calorimètre est un dispositif utilisé lors des expériences sur les échanges d’énergie thermique. Il permet de réduire les échanges avec l’environnement (créer un système presqu’isolé) et de connaitre avec précision la part d’énergie échangé avec le calorimètre lui-même. Concrètement un calorimètre ressemble à un thermos.

Capacité thermique

Lorsqu’on procède à des expériences de calorimétrie (mesure des échanges de chaleur) dans un calorimètre, il est utile de connaître la quantité d’énergie absorbée ou libérée par le calorimètre lui-même.

La capacité thermique (ct) est la quantité d’énergie échangée avec un calorimètre pour une variation de température de 1 kelvin. Elle est donc exprimée en J/K.

Lors d’une expérience la température d’un calorimètre avec une capacité thermique ct de 50 J/K peut augmenter de 10 K (ΔT). On peut facilement la quantité d’énergie thermique absorbée (ΔQ) par le calorimètre en multipliant sa capacité thermique par cette variation de température:
ΔQ = 50·10 = 500 J.

ΔQ = ctΔT

ΔQ : l’énergie thermique (J)
ct : capacité thermique du calorimètre (J/K)
ΔT : variation de température (K)