CHALEUR: FORMULES ET UNITÉS, CARACTÉRISTIQUES, COMMENT LA MESURER, EXEMPLES - PHYSIQUE - 2025

La chaleur en physique est définie comme l'énergie thermique transférée chaque fois qu'ils entrent en contact avec des objets ou des substances qui sont à des températures différentes. Ce transfert d'énergie et tous les processus qui y sont liés, font l'objet d'études de la thermodynamique, une branche importante de la physique.

La chaleur est l'une des nombreuses formes que prend l'énergie et l'une des plus familières. Donc, d'où cela vient-il? La réponse réside dans les atomes et les molécules qui composent la matière. Ces particules à l'intérieur des choses ne sont pas statiques. On peut les imaginer comme de petites perles liées par des ressorts souples, capables de rétrécir et de s'étirer avec facilité.

Les atomes et les molécules vibrent dans les substances, ce qui se traduit en énergie interne. Source: P. Tippens. Physique: concepts et applications.

De cette manière, les particules sont capables de vibrer et leur énergie peut être facilement transférée à d'autres particules, et également d'un corps à un autre.

La quantité de chaleur qu'un corps absorbe ou libère dépend de la nature de la substance, de sa masse et de la différence de température. Il est calculé comme ceci:

Où Q est la quantité de chaleur transférée, m est la masse de l'objet, C _e est la chaleur spécifique de la substance et ΔT = T _finale - T _initiale, c'est-à-dire la différence de température.

Comme toutes les formes d'énergie, la chaleur se mesure en joules, dans le système international (SI). Les autres unités appropriées sont: les ergs dans le système cgs, le Btu dans le système britannique et la calorie, un terme couramment utilisé pour désigner le contenu énergétique des aliments.

Caractéristiques thermiques

La chaleur du feu de camp est de l'énergie en transfert. Source: Pixabay

Il y a plusieurs concepts clés à garder à l'esprit:

-La chaleur concerne l'énergie en transit. Les objets n'ont pas de chaleur, ils la libèrent ou l'absorbent seulement selon les circonstances. Ce que les objets ont, c'est de l'énergie interne, en vertu de leur configuration interne.

Cette énergie interne, à son tour, est composée d'énergie cinétique associée au mouvement vibratoire et à l'énergie potentielle, typiques de la configuration moléculaire. Selon cette configuration, une substance transférera plus ou moins facilement de la chaleur et cela se reflète dans sa chaleur spécifique C _e, valeur qui a été mentionnée dans l'équation pour calculer Q.

-Le deuxième concept important est que la chaleur est toujours transférée du corps le plus chaud au corps le plus froid. L'expérience montre que la chaleur du café chaud passe toujours vers la porcelaine de la tasse et de l'assiette, ou vers le métal de la cuillère avec laquelle on l'agite, jamais l'inverse.

-La quantité de chaleur transférée ou absorbée dépend de la masse du corps en question. Ajouter la même quantité de calories ou de joules à un échantillon de masse X ne chauffe pas de la même manière un autre dont la masse est 2X.

La raison? Il y a plus de particules dans le plus grand échantillon, et chacune ne recevrait en moyenne que la moitié de l'énergie du plus petit échantillon.

Équilibre thermique et conservation de l'énergie

L'expérience nous apprend que lorsque nous mettons en contact deux objets à des températures différentes, après un certain temps, la température des deux sera la même. On peut alors affirmer que les objets ou systèmes, comme on peut aussi les appeler, sont en équilibre thermique.

D'autre part, en réfléchissant à la façon d'augmenter l'énergie interne d'un système isolé, on en conclut qu'il existe deux mécanismes possibles:

i) Le chauffer, c'est-à-dire transférer l'énergie d'un autre système.

ii) Effectuer une sorte de travail mécanique dessus.

En tenant compte du fait que l'énergie est conservée:

Dans le cadre de la thermodynamique, ce principe de conservation est connu sous le nom de première loi de la thermodynamique. Nous disons que le système doit être isolé, car sinon il serait nécessaire de considérer d'autres entrées ou sorties d'énergie dans la balance.

Comment la chaleur est-elle mesurée?

La chaleur est mesurée en fonction de l'effet qu'elle produit. C'est donc le sens du toucher qui informe rapidement à quel point une boisson, un aliment ou un objet est chaud ou froid. Étant donné que le transfert ou l'absorption de chaleur entraîne des changements de température, mesurer cela donne une idée de la quantité de chaleur transférée.

L'instrument utilisé pour mesurer la température est le thermomètre, un appareil équipé d'une échelle graduée pour effectuer la lecture. Le plus connu est le thermomètre à mercure, qui consiste en un fin capillaire de mercure qui se dilate lorsqu'il est chauffé.

Un thermomètre avec graduation en degrés Celsius et Fahrenheit. Source: Pixabay.

Le capillaire rempli de mercure est ensuite inséré dans un tube en verre avec une échelle et est mis en contact avec le corps, dont la température doit être mesurée jusqu'à ce qu'ils atteignent l'équilibre thermique et la température des deux est la même.

Que faut-il pour fabriquer un thermomètre?

Pour commencer, vous devez avoir une propriété thermométrique, c'est-à-dire une propriété qui varie avec la température.

Par exemple, un gaz ou un liquide tel que le mercure, se dilatent lorsqu'il est chauffé, bien qu'une résistance électrique serve également, qui émet de la chaleur lorsqu'un courant le traverse. En bref, toute propriété thermométrique facilement mesurable peut être utilisée.

Si la température t est directement proportionnelle à la propriété thermométrique X, alors on peut l'écrire:

Où k est la constante de proportionnalité à déterminer lorsque deux températures appropriées sont fixées et que les valeurs correspondantes de X sont mesurées. Des températures appropriées sont faciles à obtenir en laboratoire.

Une fois les paires (t ₁, X ₁) et (t ₂, X ₂) établies, l'intervalle entre elles est divisé en parties égales, ce seront les degrés.

Échelles de température

La sélection des températures nécessaires à la construction d'une échelle de température est faite avec le critère qu'elles sont faciles à obtenir en laboratoire. L'une des échelles les plus utilisées dans le monde est l'échelle Celsius, créée par le scientifique suédois Anders Celsius (1701-1744).

Le 0 sur l'échelle Celsius est la température à laquelle la glace et l'eau liquide sont en équilibre à 1 atmosphère de pression, tandis que la limite supérieure est choisie lorsque l'eau liquide et la vapeur d'eau sont également en équilibre et à 1 atmosphère de pression. Cet intervalle est divisé en 100 degrés, chacun étant appelé un degré centigrade.

Ce n'est pas la seule façon de construire une échelle, loin de là. Il existe d'autres échelles différentes, telles que l'échelle Fahrenheit, dans laquelle les intervalles ont été choisis avec d'autres valeurs. Et il y a l'échelle Kelvin, qui n'a qu'une limite inférieure: le zéro absolu.

Le zéro absolu correspond à la température à laquelle tout mouvement des particules dans une substance cesse complètement, cependant, bien qu'il soit assez proche, il n'a pas encore pu refroidir aucune substance jusqu'au zéro absolu.

Exemples

Tout le monde ressent de la chaleur au quotidien, directement ou indirectement. Par exemple, lorsque vous prenez une boisson chaude, au soleil de midi, en examinant la température d'un moteur de voiture, dans une pièce pleine de monde et dans d'innombrables autres situations.

Sur Terre, la chaleur est nécessaire pour maintenir les processus de vie, à la fois ce qui vient du Soleil et celui qui vient de l'intérieur de la planète.

De même, le climat est influencé par les changements d'énergie thermique qui se produisent dans l'atmosphère. La chaleur du Soleil n'atteint pas partout également, aux latitudes équatoriales elle atteint plus qu'aux pôles, donc l'air le plus chaud des tropiques monte et se déplace vers le nord et le sud, pour atteindre l'équilibre thermique on en a déjà parlé.

De cette manière, les courants d'air sont établis à des vitesses différentes, qui transportent les nuages ​​et la pluie. D'autre part, la collision soudaine entre les fronts d'air chaud et froid provoque des phénomènes tels que tempêtes, tornades et ouragans.

En revanche, à un niveau plus proche, la chaleur peut ne pas être aussi bienvenue qu'un coucher de soleil sur la plage. La chaleur provoque des problèmes de fonctionnement dans les moteurs de voitures et les processeurs informatiques.

Cela entraîne également une perte d'énergie électrique dans les câbles de conduction et les matériaux, ce qui explique pourquoi le traitement thermique est si important dans tous les domaines de l'ingénierie.

Exercices

- Exercice 1

L'étiquette d'un bonbon indique qu'il fournit 275 calories. À combien d'énergie en joules ce bonbon est-il équivalent?

Solution

Au début, la calorie avait été mentionnée comme une unité de chaleur. Les aliments contiennent de l'énergie qui est généralement mesurée dans ces unités, mais les calories alimentaires sont en fait des kilocalories.

L'équivalence est la suivante: 1 kcal = 4186 J, et on conclut que le bonbon a:

275 kilocalories x 4186 joule / kilocalorie = 1,15 10 ⁶ J.

- Exercice 2

100 g d'un métal sont chauffés à 100 ° C et placés dans un calorimètre avec 300 g d'eau à 20 ° C. La température que le système acquiert lorsqu'il atteint l'équilibre est de 21,44 ° C. Vous êtes invité à déterminer la chaleur spécifique du métal, en supposant que le calorimètre n'absorbe pas la chaleur.

Solution

Dans cette situation, le métal cède la chaleur, ce que nous appellerons Q _donné et un signe (-) est placé devant lui pour indiquer la perte:

De son côté, l'eau du calorimètre absorbe la chaleur, qui sera notée Q absorbée:

L'énergie est conservée, d'où il résulte que:

À partir de la déclaration, vous pouvez calculer ΔT:

Important: 1 ºC équivaut à 1 kelvin. La différence entre les deux échelles est que l'échelle Kelvin est absolue (les degrés Kelvin sont toujours positifs).

La chaleur spécifique de l'eau à 20 ° C est de 4186 J / kg. K et avec cela la chaleur absorbée peut être calculée:

Pour conclure, la chaleur spécifique du métal est dégagée:

Références

1. Bauer, W. 2011. Physique pour l'ingénierie et les sciences. Volume 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Approche par compétences. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Physique: un regard sur le monde. 6 ^ta Edition abrégée. Apprentissage Cengage.
4. Knight, R. 2017. Physique pour les scientifiques et l'ingénierie: une approche stratégique. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Physique: concepts et applications. 7e édition. Mcgraw Hill