- De quoi il s'agit et formules
- La différence de température
- Chaleur spécifique et capacité calorifique d'une substance
- Comment le calculer?
- Calorimétrie
- Exercices résolus
- Exercice 1
- Les données
- Solution
- Exercice 2
- Solution
- Références
La chaleur transférée est le transfert d'énergie entre deux corps à des températures différentes. Celui avec une température plus élevée cède de la chaleur à celui avec une température plus basse. Qu'un corps renonce ou absorbe de la chaleur, sa température ou son état physique peut varier en fonction de la masse et des caractéristiques du matériau à partir duquel il est fabriqué.
Un bon exemple est dans une tasse de café fumant. La cuillère en métal avec laquelle le sucre est mélangé se réchauffe. S'il est laissé suffisamment longtemps dans la tasse, le café et une cuillère en métal finiront par égaliser leurs températures: le café aura refroidi et la chaleur aura été transférée dans la cuillère. Une partie de la chaleur aura pénétré dans l'environnement, car le système n'est pas isolé.
Le café et la cuillère arrivent à être en équilibre thermique après un certain temps. Source: Pixabay.
Lorsque les températures deviennent égales, l'équilibre thermique a été atteint.
Si vous faisiez le même test avec une cuillère à café en plastique, vous remarquerez sûrement qu'elle ne chauffe pas aussi vite que celle en métal, mais elle finira également par s'équilibrer avec le café et tout ce qui l'entoure.
En effet, le métal conduit mieux la chaleur que le plastique. D'autre part, le café produit sûrement de la chaleur à une vitesse différente de celle du chocolat chaud ou d'une autre boisson. Ainsi, la chaleur donnée ou absorbée par chaque objet dépend du matériau ou de la substance dont il est fait.
De quoi il s'agit et formules
La chaleur fait toujours référence au flux ou au transit d'énergie entre un objet et un autre, en raison de la différence de température.
C'est pourquoi on parle de chaleur transférée ou absorbée, car en ajoutant ou en extrayant de la chaleur ou de l'énergie d'une certaine manière, il est possible de modifier la température d'un élément.
La quantité de chaleur dégagée par l'objet le plus chaud est généralement appelée Q. Cette valeur est proportionnelle à la masse de cet objet. Un corps avec une masse importante est capable de céder plus de chaleur qu'un autre avec une masse inférieure.
La différence de température
Un autre facteur important dans le calcul du transfert de chaleur est la différence de température subie par l'objet transférant la chaleur. Il est noté Δ T et est calculé comme suit:
Enfin, la quantité de chaleur transférée dépend également de la nature et des caractéristiques de l'objet, qui sont quantitativement résumées dans une constante appelée chaleur spécifique du matériau, notée c.
Donc finalement l'expression de la chaleur transférée est la suivante:
L'acte de céder est symbolisé par un signe négatif.
Chaleur spécifique et capacité calorifique d'une substance
La chaleur spécifique est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1 g de substance de 1 ºC. C'est une propriété intrinsèque du matériau. Ses unités dans le système international sont: Joule / kg. K (Joule entre kilogramme x température en degrés Kelvin).
La capacité thermique C est un concept lié, mais légèrement différent, car la masse de l'objet est impliquée. La capacité thermique est définie comme suit:
Ses unités SI sont Joule / K. Ainsi, la chaleur dégagée peut également être exprimée de manière équivalente comme:
Comment le calculer?
Pour calculer la chaleur transférée par un objet, il est nécessaire de connaître les éléments suivants:
- La chaleur spécifique de la substance qui cède la chaleur.
- La masse de ladite substance
- La température finale à obtenir
Les valeurs thermiques spécifiques de nombreux matériaux ont été déterminées expérimentalement et sont disponibles dans des tableaux.
Calorimétrie
Or, si cette valeur n'est pas connue, il est possible de l'obtenir à l'aide d'un thermomètre et d'eau dans un récipient thermiquement isolé: le calorimètre. Un schéma de cet appareil est présenté dans la figure qui accompagne l'exercice 1.
Un échantillon de la substance est immergé à une certaine température dans une quantité d'eau préalablement mesurée. La température finale est mesurée et la chaleur spécifique du matériau est déterminée avec les valeurs obtenues.
En comparant le résultat avec les valeurs tabulées, on peut savoir de quelle substance il s'agit. Cette procédure est appelée calorimétrie.
Le bilan thermique est réalisé en conservant l'énergie:
Q produit + Q absorbé = 0
Exercices résolus
Exercice 1
Un morceau de cuivre de 0,35 kg est introduit à une température de 150 ° C dans 500 mL d'eau à une température de 25 ° C. Trouver:
a) La température d'équilibre finale
b) Combien de chaleur circule dans ce processus?
Les données
Schéma d'un calorimètre de base: un récipient isolé d'eau et un thermomètre pour mesurer les changements de température. l Source: Dr Tilahun Tesfaye
Solution
a) Le cuivre cède la chaleur tandis que l'eau l'absorbe. Le système étant considéré comme fermé, seuls l'eau et l'échantillon interviennent dans le bilan thermique:
En revanche, il faut calculer la masse de 500 mL d'eau:
Avec ces données, la masse de l'eau est calculée:
L'équation de la chaleur dans chaque substance est élevée:
Égalité des résultats que nous avons:
C'est une équation linéaire à une inconnue, dont la solution est:
b) La quantité de chaleur qui s'écoule est la chaleur transférée ou la chaleur absorbée:
Q a donné = - 134,75 (32,56 - 150) J = 15823 J
Q absorbé = 2093 (32,56 - 25) J = 15823 J
Exercice 2
Une pièce de 100 g de cuivre est chauffée dans un four à une température T o puis placée dans un calorimètre en cuivre de 150 g contenant 200 g d'eau à 16 ° C. La température finale une fois à l'équilibre est de 38 º C. Lors de la pesée du calorimètre et de son contenu, on constate que 1,2 g d'eau se sont évaporés Quelle était la température initiale T o ?
Solution
Cet exercice diffère du précédent, car il faut considérer que le calorimètre absorbe également la chaleur. La chaleur dégagée par le morceau de cuivre est investie dans tous les éléments suivants:
- Chauffer l'eau dans le calorimètre (200 g)
- Chauffer le cuivre dont est fabriqué le calorimètre (150 g)
- Évaporez 1,2 gramme d'eau (de l'énergie est également nécessaire pour un changement de phase).
Donc:
- 38,5. (38 - T o) = 22397,3
La chaleur nécessaire pour porter les 1,2 g d'eau à 100 ° C aurait également pu être prise en compte, mais c'est une quantité assez faible en comparaison.
Références
- Giancoli, D. 2006. Physique: principes et applications. 6 ème. Ed. Prentice Hall. 400 - 410.
- Kirkpatrick, L. 2007. Physique: un regard sur le monde. 6 ta Edition abrégée. Apprentissage Cengage. 156-164.
- Rex, A. 2011. Fondamentaux de la physique. Pearson. 309-332.
- Sears, Zemansky. 2016. Physique universitaire et physique moderne. 14 ème. Ed. Volume 1. 556 - 553.
- Serway, R., Vulle, C. 2011. Principes de base de la physique. 9 na Cengage Learning.