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Chaleur et température

1. Introduction historique 1.1 Une approche globale des phénomènes La mécanique newtonienne fut considérée comme l'exemple par excellence d'une science exacte et comme l'a préconisé Descartes, elle étudie un système physique en le décomposant et en étudiant le mouvement de chacun de ses constituants. Le 19e siècle a pourtant vu émerger une autre approche pour les phénomènes liés à la chaleur, cette "physique de la chaleur", basée sur la globalité des systèmes, s'appelle la thermodynamique. 1.2 Sensations et interprétation physique

Nos sens nous permettent de distinguer un corps chaud d'un corps froid mais comment interpréter nos sensations en termes physiques ?

Aristote a déjà formulé des théories et il voyait dans le chaud et le froid deux qualités élémentaires opposées. Dans notre langage d'aujourd'hui nous utilisons la notion de température pour déterminer si un corps est froid ou chaud. La notion de chaleur a un statut différent, si nous mettons une casserole sur le feu nous dirons que de la chaleur a passé du feu à l'eau ce qui conduit à une élévation de sa température et le cours de physique nous suggère que cette "chaleur transférée" correspond bien à l'idée d'énergie.

Contrairement à Aristote nous savons qu'il existe une asymétrie essentielle entre le chaud et le froid et que ce n'est pas de la "froideur" qui est transférée de la casserole au feu ! Un corps dont la température s'élève reçoit de la chaleur alors qu'un corps dont la température baisse perd de la chaleur.

L’énergie thermique est toujours transférée du corps chaud au corps froid

1.3 Deux théories pour expliquer la chaleur au 19e siècle

La chaleur peut donc se transmettre et au début du 19e s. deux théories étaient en concurrence :

a. La première, la théorie mécanique de la chaleur, affirmait que la chaleur est une vibration des atomes, la température représentant l'intensité de cette vibration et le transfert de la chaleur correspond à une propagation de la vibration des atomes.

b. La deuxième était d'une autre nature et considérait la chaleur comme un fluide qui pénétrait la matière, le “calorique". La température mesurait la pression du fluide contenu dans le corps et le transfert de chaleur correspondait à l'écoulement de ce fluide dans le sens décroissant de la pression.

Si la théorie du calorique a été abandonnée, elle a pourtant connu des succès considérables au début du 19e siècle :

o Pierre Simon de Laplace qui en tenant compte d'un flux de chaleur corrigea la vitesse du son dans l'air, calculée par Newton, pour obtenir une valeur proche de celle déterminée expérimentalement.

o Jean-Baptiste Fourier, en 1822, établit les équations décrivant les flux de chaleur à travers diverses substances et les équations mises en place à l'époque sont encore utilisées aujourd'hui.


o Sadi Carnot étudia le rendement des moteurs thermiques qui produisent du travail mécanique à partir de la chaleur et sa théorie, bien que basée sur un modèle calorique de la chaleur, a eu une portée considérable dépassant largement le "calorique".

Pourtant certaines expériences, comme la production de chaleur par frottement n'a jamais trouvé d'explication à partir du calorique et celui-ci fut abandonné vers 1850. 1.4 Energétisme et mécanisme

Les progrès sur la connaissance de l'énergie et de ses transformations (J. P. Joule : équivalent électrique de la chaleur vers 1840, équivalent mécanique de la chaleur en 1843; R. Mayer : équivalent chimique de la chaleur ) ont conduit les physiciens vers un nouveau débat où deux écoles vont s'affronter : le mécanisme et l'énergétisme.

Les mécanistes pensaient qu'en définitive tous les phénomènes allaient s'expliquer en termes de mouvement et pour une partie d'entre eux ce mouvement était celui des atomes. Les énergétistes imaginaient au contraire que les échanges d'énergie étaient à la base de tous les phénomènes (y compris les phénomènes mécaniques).

C'est, comme l'a écrit Jean Perrin en 1913 : "le triomphe définitif de l'atome" qui nous permet aujourd'hui d'affirmer que tout est mouvement dans la matière. La thermodynamique n'a pourtant pas disparu car son approche globale ou holistique est indispensable à la physique. Il est en effet impossible de décomposer la matière en chacune de ses parties (atome ou molécule) pour calculer des grandeurs comme la température ou l'énergie.

2. Quelques définitions 2.1 La température

La température d'un corps est une mesure de l'agitation thermique de la matière.

Exprimée en Kelvin, elle est proportionnelle à l'énergie cinétique moyenne (énergie liée à la vitesse de vibration ou de déplacement) de chaque atome ou molécule.

T [K] proportionnelle à εc moy = 1/2 m (vmoy)2

Remarque :

L’énergie cinétique est une des formes de l’énergie que nous étudions dans le chapitre de mécanique. Le mouvement d’un objet, aussi bien au niveau macroscopique qu’au niveau microscopique, lui « confère » de l’énergie. Nous savons tous qu’une balle de fusil « contient » de l’énergie, énergie liée à sa masse et à sa vitesse. Il en est de même pour les objets microscopiques que sont les atomes ou les molécules. 2.2 L'énergie thermique

La somme de toutes les énergies cinétiques d'agitation des particules d'un corps s'appelle l'énergie thermique de ce corps.


2.3 L'énergie interne

L'énergie interne d'un corps est la somme de l'énergie thermique (cinétique) et des énergies (potentielles chimiques) de liaison.

3. Structure microscopique des états de la matière (rappel)

Etat Structure microscopique et mouvement des atomes ou molécules.

Forces de liaisons entre atomes

solide Aucun mouvement d'ensemble, les atomes sont "collés " les uns aux autres et occupent une place déterminée. L'agitation thermique se traduit par une vibration de chaque atome.

élevées

liquide En plus de l'agitation thermique des atomes ou molécules qui se traduit par des vibrations et des rotations, les atomes ou molécules peuvent glisser ou rouler les unes sur les autres ce qui correspond à l'écoulement des liquides.

moyennes

gaz Les atomes ou molécules ne sont plus "collés" les uns aux autres et sont animés de grandes vitesses. Les collisions sont permanentes entre les atomes et sur les parois.

faibles


4. Effets macroscopiques d'une variation de température 4.1 La dilatation Si on fait varier la température d'un corps, mesure de l'agitation moléculaire, on constate une variation du volume du corps et, par conséquent, de ses dimensions.

Interprétation microscopique :

Si la température d'un corps s'élève, la plus grande agitation de chacun de ses atomes (ou molécules) le conduit à occuper un volume très légèrement supérieur

et l'effet global est une dilatation .

Dilatation linéaire (variation de longueur pour un solide) :

Lorsque la température passe de θ1 à θ2 , la longueur de la tige passe de l (θ1) à l (θ2). La

variation de longueur vaut : ∆l = l(θ2) - l(θ1)

On constate que la variation de longueur est proportionnelle à la variation de température et dépend d'un coefficient propre à chaque matière. Elle se calcule avec la relation :

∆l = α . l1. ∆θ

∆l : variation de longueur [m]

α : coefficient de dilatation linéique [1/°C] ou [1/K]

(tables CRM p.162 à 169 colonne 5) l(θ1) ou l1 : longueur initiale [m] (à la température θ1)

∆θ : variation de température θ2 - θ1 [°C]

Remarque : Si la variation de température ∆θ est négative, la variation de longueur ∆l l'est aussi. La température diminue, l'objet se rétracte. Exemple :

Une tige d'acier a une longueur de 3,55 [m] à la température de 18 [°C]. Calculer la variation de longueur de la tige, si sa température est portée à 276 [°C].

∆θ = θ2 - θ1 = 276 [°C] - 18 [°C] = 258 [°C]

αacier = 11.10-6 [1/°C] ou [1/K] (p. 162)

∆l = αacier. l(18[°C]).∆θ = 11.10-6 [1/°C].3,55 [m].258 [°C] = 1,0.10-2 [m] = 1,0 [cm]


Illustration : joint de dilatation d'un pont Un pont doit pouvoir s'allonger et se raccourcir (dilatation) sans causer de dégât.

Sous le pont : le pont est indépendant et l’on distingue même le jour venant de l'autre côté, à travers le joint. La largeur du joint (1) est d'environ 10 cm. Les plaques de

caoutchouc (2) sur lesquelles les poutres en béton (3) du pont sont posées permettent les variations de longueur et ont une épaisseur d'environ 5 cm.

Depuis le socle (4) posé sur la pile du pont et jusqu’à la route (à gauche du joint), tout est solidaire du sol.

Sur le pont : les plaques de recouvrement masquent complètement le "trou" (joint). Elles sont fixées sur le pont alors que le "peigne" leur permet de se déplacer de l'autre côté.


Dilatation volumique :

On peut aussi s'intéresser à la variation du volume ∆V, en fonction de la variation de température ∆θ. (Particulièrement pour les liquides.)

Lorsque la température passe de θ1 à θ2 , le volume du corps passe de V(θ1) à V(θ2).

La variation de volume vaut : ∆V = V(θ2) - V(θ1) On constate que la variation de volume est proportionnelle à la variation de température et dépend d'un coefficient propre à chaque matière. Elle se calcule avec la relation :

∆V = γ .V1 . ∆θ

∆V : variation de volume [m3]

γ : coefficient de dilatation volumique [1/°C] ou [1/K]

(pour les solides γ ≈ 3α)

(tables CRM p.162 à 169 colonne 6)

V(θ1) ou V1 : volume initial [m3] (à la température θ1)

∆θ : variation de température θ2 - θ1 [°C] Remarques :

1. Les variations de température peuvent être exprimées en [°C] ou [K]. 2. En effet ∆θ [°C] = ∆T [K] alors que θ [°C] ≠ T [K] (voir § 4.3 ) 3. Il est également possible de calculer directement la longueur finale (ou le volume

final) d'un objet qui se dilate :

l(θ2) = l(θ1) +∆l = l(θ1) +l(θ1).α.∆θ = l(θ1) (1 + α.∆θ),

de même : V(θ2) = V(θ1) (1 + γ.∆θ)

Exemple :

Un bloc de béton a un volume de 1250 [m3], sa température est de 9 [°C]. Exposé au soleil, sa température passe à 37 [°C]. Calculer la variation de volume et le volume final du bloc. On ne trouve pas le coefficient de dilatation volumique du béton dans les tables CRM, mais on dispose du coefficient de dilatation linéique du béton :

α = 10.10-6 [1/°C] => γ ≈ 3.α = 30.10-6 [1/°C] ∆θ = θ2 - θ1 = 37 [°C] - 9 [°C] = 28 [°C]

∆V = γbéton. V1. ∆θ = 30.10-6 [1/°C] . 1250 [m3]. 28 [°C] = 1,1 [m3]

Volume du bloc à 37 [°C] : V2 = V1 + ∆V ≈ 1250 [m3] + 1 [m3] = 1251 [m3]

ou : V2 = V1(1 + γ.∆θ) = 1250 (1 + 30.10−6.28) = 1251 [m3].


4.2 Dilatation des gaz, modèle des gaz parfaits Le volume d'une masse de gaz n'est pas une grandeur déterminée. Le gaz occupe tout l'espace mis à sa disposition et son volume sera celui du récipient qui le contient. En revanche la masse d’un gaz contenu dans un récipient est une grandeur déterminée qui correspond à la somme des masses de ses molécules.

Ainsi la variation de température d'un gaz contenu dans un récipient (masse constante) peut conduire à :

- une variation de volume (dilatation) si le récipient le permet, et/ou

- une variation de pression.

Interprétation microscopique de la pression dans un gaz :

Chaque atome (ou molécule) possède une vitesse élevée qui conduit à de fréquentes collisions entre les atomes (ou molécules) et sur les parois du récipient.

Ces chocs produisent de petites forces en tout point du gaz et sur les parois. L'effet global de ces chocs sur une surface est bien une pression.

Pour étudier les gaz il faut donc étudier les dépendances entre la température, le volume et la pression pour une masse constante. Cette étude s'est faite en étudiant séparément la dépendance entre deux grandeurs tout en maintenant la troisième constante.

Loi de Boyle-Mariotte : relation entre p et V avec θ constante

La compressibilité de l'air à température constante a été étudiée au 17e siècle par Robert Boyle (1627-1691) en Angleterre et Edme Mariotte (1620-1684) en France. Les propriétés découvertes ont permis l'élaboration du modèle des gaz parfaits à la fin du 18e siècle.

p1 2

θθ1 2

p

1V 2V

Loi de Boyle-Mariotte s’énonce : A température constante (θ1 = θ2), les volumes occupés par une même masse de gaz sont inversement proportionnels aux pressions. Cette loi peut s'écrire sous forme mathématique de la façon suivante :

p . V = constante ou p1 . V1 = p2 . V2

p : pression [Pa] V : volume [m3]


Loi de Gay-Lussac : relation entre V et θ avec p constante

Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) a étudié la variation de volume (dilatation) des gaz en maintenant la pression constante.

p1 2

θθ1 2

p

1V 2V

Loi de Gay-Lussac s’énonce : A pression constante (p1 = p2), les volumes occupés par une même masse de gaz dépendent de la température.

∆V = γ . V1 . ∆θ

γ : coefficient de dilatation volumique [1/°C] ou [1/K] V1 : volume initial [m3]

∆θ : variation de température θ2 - θ1 [°C]

Gay-Lussac démontra que le coefficient de dilatation à pression constante γ est : • Indépendant de la température initiale. • Indépendant de la pression à laquelle on le détermine. • Voisin de 1/273 pour presque tous les gaz !

Loi de Charles : relation entre p et θ avec V constant

Jacques Charles (1746-1823) a étudié la variation de pression en maintenant le volume constant.

θθ1 2

p1 2p

1V 2V

Loi de Charles s’énonce : A volume constant (V1 = V2), la pression exercée par une même masse de gaz dépend de la température.

∆p = β . p1. ∆θ

β : coefficient à volume constant [1/°C] ou [1/K] p1 : pression initiale [Pa]

∆θ : variation de température θ2 - θ1 [°C] Charles démontra que le coefficient β à volume constant est :

• Indépendant de la nature du gaz, • Indépendant de la température à laquelle on le détermine, • Voisin de 1/273 pour presque tous les gaz !


Remarque :

Le comportement de l’ensemble des gaz réels ne se conforme pas rigoureusement à ces lois. Les gaz dont le comportement se conforme le mieux à ces lois ont des forces de liaison intermoléculaires très faibles (négligeables). Ces lois sont donc applicables à des gaz qui sont à une température éloignée de leur température de liquéfaction, de plus, il est préférable que les pressions restent faibles.

"Bons" gaz à la température du laboratoire : hélium, hydrogène, oxygène,... "Mauvais" gaz à la température du laboratoire : gaz carbonique, vapeur d'eau,... 4.3 Zéro absolu et échelle de température Kelvin Si l'on représente graphiquement la variation de la pression d'un gaz en fonction de la température (à volume constant), on obtient le diagramme suivant :

p[Pa]

θ [°C]

-273

V = cst

0

Si l'on prolonge (pointillé) la droite obtenue expérimentalement, on remarque qu'à la température de -273 [°C], ce modèle des gaz implique que la pression (à volume constant) est nulle !

Interprétation microscopique d'une pression nulle :

La pression dans un gaz est le résultat des multiples chocs des atomes (molécules). Pour avoir une pression nulle il faut donc que la vitesse de ses particules soit nulle, ce qui

correspond à "figer" les particules et donc à une absence totale d'agitation thermique.

Il n’y a donc pas de température plus basse que -273 [°C], on parle alors de zéro absolu.

Remarque : Un raisonnement analogue peut-être fait à partir du volume en fonction de la température (à pression constante). L'échelle de température absolue, l'échelle Kelvin :

Elle est définie en choisissant cette température de -273 [°C] comme le zéro (zéro absolu). On conserve la graduation de l'échelle Celsius en la décalant vers le bas de 273°. Echelle de température Kelvin Celsius

Symbole de température T θ

Symbole de l’unité [K] [°C]

Origine 0 [K] : agitation

thermique nulle

0 [°C] : glace fondante

(changement d'état de l’eau pure)

Correspondance 0 [K] ≈ -273 [°C]

T = θ θ θ θ + 273

0 [°C] ≈ +273 [K]

θ = T - 273


4.4 La loi des gaz parfaits Les graphiques du volume en fonction de la température (avec p = cte) et de la pression en fonction de la température (avec V = cte) montrent, si l’échelle de température est l’échelle absolue [K], que les lois sont proportionnelles. Elles prennent les formes simplifiées suivantes :

Gay-Lussac :

avec p = cte

VT = cte ou

V1

T1 =

V2

T2

Charles :

avec V = cte

pT = cte ou

p1

T1 =

p2

T2

Loi générale des gaz parfaits En combinant les lois de Boyle-Mariotte, Gay-Lussac et Charles, on obtient la loi générale des gaz parfaits :

p .VT = constante ou

p1.V1

T1 =

p2.V2

T2

Hypothèse d'Avogadro

Amadeo Avogadro (1776-1856), un chimiste italien, postula que le nombre d’atomes contenus

dans une mole de n'importe quel gaz était le même NA = 6,02 . 1023.

Exemple : Cherchons la masse d'une mole d'oxygène O2 :

Le tableau périodique des éléments (dernière page de la table CRM) donne la valeur de 15,9994 [uma] = 16,0 [uma] pour la masse atomique de l'atome d'oxygène.

Par définition, une [mole] de gaz oxygène O2 aura une masse de

2 . 16,0 [g] = 32,0 [g] (multiplication par 2 car chaque molécule de gaz O2 contient 2 atomes d'oxygène).

Cette masse d'oxygène contient : N ≈ 6,02 .1023 molécules O2

L'hypothèse d'Avogadro permit au physicien Emile Clapeyron (1799-1864), de calculer la valeur de la constante de la loi générale des gaz parfaits.

p .VT = n . R

n : nombre de [mole] de gaz

R : constante des gaz parfaits [ J

mole K ]

R = 8,314 [ J

mole K ]


5. Etude des transferts d'énergie 5.1 Transfert de chaleur => la température du corps varie


Si la température d'un corps varie cela signifie que le mouvement dans la matière change et donc que l'énergie cinétique de ses composants augmente ou diminue.

Toute variation de température est donc liée à la variation d'énergie thermique du corps

∆εthermique et la cause en est un transfert de chaleur Q. Dans ce cas un apport de chaleur Q [J] provoque une augmentation de température ∆θ de l’objet considéré :

Q [J] -> ∆θ [°C]

La chaleur transférée, lorsque la température d’un corps varie, se calcule de la manière suivante :

Q = m . c . ∆θ

θ [°C]

Q : chaleur transférée [J] (ou ∆ε [J]) m : masse de la substance [kg] ∆θ = θfinale - θinitiale : variation de température [°C] c : chaleur massique de la substance [J/kg.°C] (Tables CRM p.162->169 col. 14,15,16)

Interprétation :

La chaleur massique de l'eau : ceau = 4,18. 103 [J

°C . kg] signifie qu'il faut fournir

4,18. 103 [J] à une masse de 1 [kg] d'eau pour élever sa température de 1 [°C]. Exemple :

Calculer l'énergie nécessaire pour augmenter la température de 2,5 [kg] d'eau de 20 à 98 [°C].

Q = m.c.∆θ = 2,5 [kg]. 4,18. 103 [ J

°C . kg ]. (98-20) [°C] = 8,2.105 [J]

Capacité thermique (ou calorifique)

Lorsque l’objet qui reçoit de la chaleur est un objet complexe, composé de plusieurs substances, il n’est pas pratique d’utiliser la relation ci-dessus. On utilise souvent une autre grandeur : la capacité thermique C [J/°C]. La capacité thermique tient compte de la masse et de la chaleur massique des diverses substances qui composent l’objet ainsi que des éventuelles différences de températures (par exemple entre l'intérieur et l'extérieur d'un récipient). Cette grandeur est le plus souvent déterminée expérimentalement pour un objet particulier (par exemple : un thermomètre, un calorimètre, etc.).


Définition :

La capacité thermique (ou calorifique) C [J/°C] est la quantité de chaleur à fournir à un objet pour augmenter sa température de 1 [°C].

Exemple : Si un calorimètre a une capacité thermique C = 40 [J/°C], il faudra lui fournir 800 [J] pour que sa température augmente de 20 [°C].

La chaleur nécessaire pour élever la température d'un objet complexe se calcule à partir de la capacité thermique avec la relation :

Q = C . ∆θ

5.2 Transfert de chaleur =>=>=>=> changement d'état


Si un corps change d'état cela signifie que les liaisons entre les molécules sont modifiées sans que l'agitation thermique en soit affectée.

Tout changement d'état correspond donc à une variation de l'énergie de liaison (énergie

potentielle chimique) entre les atomes ou molécules ∆εchimique et la cause en est un transfert de chaleur Q.

solide

liquide

gazsublimation

fusion

solidification vaporisation

condensation

Pour les corps qui sont des solides cristallins, la température du changement d'état solide <=> liquide est une constante bien déterminée. Elle reste constante pendant toute la durée du changement d'état.

Dans une fonderie, on verse dans un moule le contenu du godet : de la fonte liquide. Le godet, à cause de son poids, est suspendu par un axe horizontal à un palan. Les fondeurs guident et versent le contenu dans le moule.


Pour les changements d'états liquide <=> gaz et solide <=> gaz, la température dépend de la pression ambiante. La chaleur transférée lors d’un changement d'état

se calcule de la façon suivante :

Q = m . L

Q : chaleur transférée [J] (ou ∆ε [J])

m : masse de la substance qui change d’état [kg]

L : chaleur latente de la substance [J/kg] Tables CRM p. 162 à 169

Pour une même substance, il peut y avoir jusqu'à trois chaleurs latentes :

o Lf : chaleur latente de fusion (colonne 12)

o Lv : chaleur latente de vaporisation (colonne 13)

o Ls : chaleur latente de sublimation (pas donnée dans la table).

Interprétation : Lf eau ≈ 3,3 .105 [J/kg] signifie qu'il faut fournir 3,3.105 [J] à une masse de 1 [kg] de glace à 0[°C] pour la fondre entièrement.

Malgré la chaleur latente élevée de fusion de la glace, le réchauffement du climat provoque une fonte accélérée des glaciers qui reculent de quelques dizaines de mètres par année.

Sur la photographie, on voit la sortie du torrent et le ruissellement de surface du glacier du Mont Miné situé en dessus de Ferpècle en Valais.


5.3 Transfert de chaleur : situation générale La chaleur apportée à une substance peut donc produire une élévation de température ou un changement d'état ou les deux, l'un à la suite de l'autre. La table CRM, de la page 162 à 169, donne toutes les informations nécessaires pour situer le problème. On peut ainsi déterminer la ou les étapes de calcul à effectuer.

Remarque :

Pour se déplacer de gauche à droite dans le graphique ci-dessus, il faut apporter de la chaleur au système (formé de la matière et de son contenant).

L’énergie du système augmente et ainsi la variation d’énergie est positive :

∆εεεε = Q > 0.

Pour se déplacer de droite à gauche, il faut soustraire de la chaleur au système.

Cette fois, l’énergie du système diminue et donc la variation d’énergie est négative :

∆εεεε = Q < 0

Dans ce cas, le système cède de l’énergie à son environnement.


6. Température d'équilibre d'un mélange Si on mélange deux substances qui se trouvent initialement à des températures différentes, la chaleur perdue par la substance à température élevée est gagnée par la substance à température basse.

C'est la conservation de l'énergie pour un système isolé qui nous permet d'affirmer :

∆ε gagnée + ∆ε perdue = 0

∆ε gagnée = - ∆ε perdue

Pour les transferts de chaleur :

Q gagnée = - Q perdue

a) Sans tenir compte du récipient (avec θ2 > θ1) :

m1 . c1 . ∆θ1 = - m2 . c2 . ∆θ2

Avec ∆θ1 > 0 et ∆θ2 < 0

m1

θ1 c1

m2

θ2 c2

b) En tenant compte du récipient, un calorimètre de capacité thermique C, qui contient la substance de masse m1 à la température θ1 (avec θ2 > θ1).

m1 . c1 . ∆θ1 + C ∆θ1 = - m2 . c2 . ∆θ2

(m1 . c1 + C) ∆θ1 = - m2 . c2 . ∆θ2 Exemple :

Dans un calorimètre contenant 0,450 [kg] d'eau à la température de 22 [°C], on verse 0,950 [kg] de fer à la température de 98 [°C]. Calculer θéq, la température d'équilibre du mélange.

0,450 [kg] . 4,18 103[J

°C . kg ]. (θéq[°C] - 22[°C]) = - 0,950[kg] . 0,44.103[

J

°C . kg ]. (θéq[°C] - 98[°C])

1881 . (θéq- 22) = - 418. (θéq- 98)

1881 θéq- 41382 = - 418 θéq + 40964

2299 θéq= 82346 => θθθθéq = 36 [°C] Remarque :

Dans un mélange, il peut se produire un changement d'état et, dans ce cas, il faut tenir compte de l'énergie cédée ou gagnée lors du changement d'état. L’énergie totale est toujours conservée, mais il faut modifier les formules utilisées ci-dessus.


7. Modes de transfert de la chaleur 7.1 Conduction La conduction est la transmission de la chaleur


En mettant en contact des matières de température différente, l'agitation thermique des molécules se transmet de proche en proche, de molécule à molécule.

Ce transfert de chaleur s'arrête lorsque la température est uniforme.

Remarques : - Les métaux sont, en général, de bons conducteurs de chaleur. - Les gaz sont de très bons isolants pour la conduction car les atomes sont éloignés les uns

des autres et c’est seulement lors des chocs que l’énergie se transmet. - Le vide est un isolant parfait pour les phénomènes de conduction puisqu’il ne contient

aucun atome !

7.2 Convection La convection est directement liée au phénomène de dilatation des liquides ou des gaz. Dans ces deux cas la dilatation conduit à une augmentation de volume pour une masse donnée et donc à une diminution de la masse volumique du liquide ou du gaz. Le liquide ou le gaz chaud (en contact avec le corps de chauffe) va donc s'élever et être remplacé par du liquide ou gaz plus froid : ce mouvement d'ensemble des molécules du fluide s'appelle la convection.


Chaque atome, chaque molécule d'un liquide va occuper, si la température s'élève, un volume légèrement plus grand (dilatation) et ainsi, la masse volumique du liquide diminue. Dans les gaz c'est la vitesse des atomes qui augmente et qui produit une augmentation de

volume du gaz (dilatation du gaz à pression constante : Loi de Gay-Lussac).

Remarques :

- Les solides ne permettent évidemment aucune convection puisque leurs atomes ou molécules ne se déplacent pas.

- Pour qu'un gaz soit un bon isolant thermique, il faut empêcher la convection. Pour cela on utilise des corps contenant des espaces vides (corps lacunaires) comme la laine, la laine de verre ...

7.3 Rayonnement La chaleur peut aussi se transmettre par rayonnement. Par exemple le soleil nous transmet son énergie à travers le vide, donc sans contact ni convection possible : c'est la lumière (ondes électromagnétiques) qui transporte cette énergie. Une surface noire absorbe le rayonnement alors qu'un miroir renvoie la plus grande partie de celui-ci.


Effet de serre

Une surface qui absorbe le rayonnement du soleil chauffe et réémet à son tour du rayonnement mais généralement pour une part importante dans l'infrarouge, c'est-à-dire de la lumière qui n'est pas visible. Des substances, comme le verre, laissent passer la lumière solaire : l’énergie du rayonnement solaire pénètre et chauffe l’intérieur d’une serre. En revanche, ces mêmes substances réfléchissent une partie importante du rayonnement infrarouge réémis : la plus grande partie du rayonnement infrarouge ne peut donc pas quitter la serre. La chaleur est ainsi piégée : c'est l'effet de serre. Une surface absorbante s'échauffe et réémet une grande partie du rayonnement solaire

dans l'infrarouge

surface absorbante

dans l'infrarougelumière solairerayonnement réémis

L'effet de serre est provoqué par une surface vitrée qui piège une partie

du rayonnement solaire

Réchauffement de la Terre par l'effet de serre L'effet de serre est indispensable à la vie sur la Terre. Sans lui les variations de température entre le jour et la nuit seraient beaucoup trop grandes. Malheureusement le rejet massif de CO2 dans l'atmosphère conduit à une modification durable du climat sur la Terre. Effectivement, le CO2 est un des gaz responsable de cet effet (il joue le rôle de la vitre qui piège le rayonnement) et il résulte directement dans la combustion des matières organiques : lors de la combustion, par exemple de pétrole, de gaz naturel, de charbon et de bois, le carbone contenu dans les combustibles se combine à l'oxygène de l'air pour former du gaz carbonique. Bien que le "modèle" de l'atmosphère soit complexe et qu'il soit difficile de dissocier les variations naturelles du climat des effets dus à l'homme, il est maintenant certain que l'effet de serre dû aux gaz de combustion ne peut plus être ignoré. Son effet sur le climat sera déterminant au cours du 21e siècle : les glaciers des Alpes vont progressivement disparaître, une partie importante des calottes glacières va fondre entraînant une hausse du niveau de la mer avec des conséquences importantes pour les populations côtières du globe.

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Doc chaleur et température - Espace Ecoleedu.ge.ch/.../files/doc_chaleur_et_temperature.pdf · 2019. 5. 25. · Doc chaleur et température page 2 / 17 o Sadi Carnot étudia le rendement