Cours n° 1 : Température et chaleur version 1. page 1/12 Température et chaleur

Cours n° 1 : Température et chaleur version 1. page 1/12 Température et chaleur Sommaire 1. Notion de chaleur 2. La chaleur est une grandeur physique mesurable 3. La chaleur est une énergie 4. Chaleur Q et énergie interne U 5. Chaleur latente et chaleur de combustion Cours n° 1 : Température et chaleur version 1. page 2/12 1. Notion de chaleur Etudions trois cas de la vie courante : 1er cas Prenons un nageur (température interne T | 37°C) qui nage dans la mer (20°C) : il a une sensation de froid, il perd donc de la chaleur que l'on note Q. Pourtant sa température est restée à 37° C : il a donc cédé de la chaleur Q sans se refroidir : chaleur et température sont donc deux notions différentes : Q z T 2ème cas Promenons-nous dans les bois pendant que le loup n'y est pas…la température extérieure est de 20°C, on s'y sent bien…alors que dans l'eau de mer précédente (1er cas) on avait froid pour une température identique…étrange non ? 3ème cas Il fait beau, nous nous promenons toujours dans les bois, il fait toujours 20°C…on se sent toujours très bien…puis une brise se met à souffler à 30 km/h…on a un peu plus froid (sensation de 17°C extérieur) alors que notre thermomètre indique toujours 20°C…bizarre. Interprétons Notre sensation de froid ou de chaud ne dépend pas uniquement de la température de notre corps ou de notre environnement, mais également de la chaleur (notion floue pour le moment) que l'on perd ou gagne. Dans le 1er cas l'eau évacuait beaucoup de chaleur de notre corps (l'eau est conductrice de chaleur) : on perdait donc beaucoup de chaleur alors que notre température interne restait sensiblement constante (la température de l'eau de mer aussi d'ailleurs)…mais on avait froid. Température et chaleur sont donc deux notions différentes. Dans le 2ème cas on perdait moins de chaleur que dans l'eau (l'air immobile est un bon isolant thermique) on se sentait donc bien alors que la température était identique à celle de la mer. Dans le 3ème cas le vent évacuait de la chaleur de notre corps (on compte une sensation de froid de –1°C par 10 km/h de vent) et on avait donc un peu plus froid, il s'agissait d'un cas intermédiaire entre le 1er et le 2ème cas. Si l'on avait eu un gros manteau, on aurait perdu beaucoup moins de chaleur et on aurait eu trop chaud…l'homme doit évacuer de la chaleur pour pouvoir se maintenir à 37°. On a compris que la température n'est pas synonyme de chaleur, même si ces deux notions sont liées. Mettons également un morceau de métal chaud dans un bain d'eau / glace (T = 0°C) pour réaliser l'expérience ci-dessous. Le métal s'est refroidit (il a donc cédé Q ) mais la température du bain (qui a reçu Q) reste à 0°C, Q cédée par le métal a simplement fait fondre un peu plus de glace : ce n'est pas parce qu'un corps (ici le bain) reçoit de la chaleur que sa température augmente. 20 °C 20 °C 20 °C Q z T T | 273 K (0° C) glace fondante Q La chaleur Q a simplement fait fondre la glace sans changer la température T du bain : une chaleur n'échauffe pas nécessairement un corps qui la reçoit. Brrrr ! notre sensation de chaud ne dépend pas uniquement de la température extérieure. Cours n° 1 : Température et chaleur version 1. page 3/12 2. La chaleur est une grandeur mesurable Essayons alors de quantifier ce qu'on a éprouvé qualitativement dans les trois cas précédents. Nous avons vu, dans l'expérience précédente, que la chaleur faisait fondre la glace, sans pour autant augmenter la température du bain. Cette notion de chaleur (on dit aussi "quantité de chaleur") est un peu floue mais on peut imaginer une expérience qui nous permet de mesurer la quantité de chaleur qu'absorbe la glace (et donc celle que dégage un corps) . Cela donne alors un sens plus concret à cette notion de chaleur).On prend un entonnoir rempli de glace pilée (glace fondante 0°C) et on réalise quatre expériences. On considère que la chaleur Q cédée par le corps solide de masse M (cuivre ou soufre selon l'expérience) est proportionnelle à la quantité d'eau récupérée. Le corps est initialement à la température T1 (100°C ou 50°C selon l'expérience menée) puis se refroidit à la température T2 = 0°C (température de la glace fondante). On résume les quatre expériences précédentes par une seule relation simple qui définit (symbole  ) la grandeur C appelée capacité calorifique massique ou parfois chaleur massique : Q C M T ˜ '  ou encore Q  M.C.'T Pour donner une unité à C et comparer les différents corps, on définit : Q  1 kcal pour échauffer 1 kg d'eau de 14,5 °C à 15,5°C sous pression de 1013 mbar. Un corps qui possède C petit doit beaucoup se refroidir pour céder Q ('T doit être élevé en valeur absolue). Un corps qui possède C élevé se refroidit peu en cédant la chaleur Q. Dans les expériences 1 et 4 précédentes, le soufre et le cuivre, de même masse, portés à 100°C puis refroidis à 0°C ('T = 0°C) cèdent deux quantités de chaleur différentes (évaluées par la quantité d'eau récupérée). On a Qsoufre > Qcuivre Ÿ M·Csoufre·'T > M·Ccuivre·'T Ÿ Csoufre > Ccuivre La chaleur est, de ce fait, également définie par une unité, la "calorie" [cal]. On verra au paragraphe suivant qu'il s'agit en fait d'une énergie : elle sera donc exprimée ultérieurement en joules (symbole [J]) comme toute énergie (le travail est également une forme d'énergie). L'unité donnée à Q, la kilocalorie, fait référence à la chaleur qu'elle évoque (calor = chaleur). On remarque également que l'unité de la température est le kelvin, et non le degré Celcius. Le kelvin est effectivement l'unité du système international attribuée à la température. On en parlera plus précisément ultérieurement. 'T est alors la différence entre la température initiale et la température finale du corps plongé dans la glace. M = 1 kg de cuivre à T1 | 100°C 120 g d'eau M = 2 kg de cuivre à T1 | 100°C 240 g d'eau 1 2 M = 1 kg de cuivre à T1 | 50°C 60 g d'eau c et e Q proportionnelle 'T : Ÿ Q = k2 u 'T avec 'T = différence de température du cuivre = T2 - T1 = -100° C M = 1 kg de soufre à T1 | 100°C 220 g d'eau 3 4 c et d : Q proportionnelle à la masse Ÿ Q = k1 u M avec k1 constante réelle quelconque Q dépend de la nature du corps : c et f Ÿ Q = k3 u M u 'T avec k3 constante réelle qui dépend du corps qui a cédé la chaleur [kcal] [kg] [kcal.kg-1.K-1] [K] Cours n° 1 : Température et chaleur version 1. page 4/12 On a alors 'T = T2 – T1 < 0 pour les quatre expérience ci-dessus, ce qui implique que Q < 0 pour les quatre expériences précédentes Cette apparition d'un signe pour la chaleur Q met en évidence la convention de signe implicitement adoptée ici : la chaleur est > 0 lorsqu'elle est reçue par le système étudié (corps en cuivre ou en soufre), elle est négative lorsqu'elle est perdue par le corps. C'est une convention dite "convention du banquier", ou "convention thermodynamique". Bien entendu si l'on considère comme système d'étude la masse d'eau et non la masse de cuivre, alors Q est reçue par l'eau est positive : il faut toujours définir clairement le système étudié. Dans ce dernier cas la chaleur reçue par l'eau n'a d'ailleurs pas modifié sa température (toujours égale à 0°C, entre l'instant initial de l'expérience et l'instant final) : un apport ou un retrait de chaleur Q d'un système ne modifie par forcément sa température, comme on en a déjà parlé précédemment, la relation Q = M˜C˜'T n'est donc pas une relation générale. Remarque importante Un corps n'a pas une quantité de chaleur Q déterminée (contrairement à la température) : il perd ou gagne de la chaleur (ou "quantité de chaleur") en fonction des corps ou systèmes1 avec lesquels il interagit et en fonction du type d'expérience menée (on dira plutôt "transformation"). On dira que la chaleur Q n'est pas une "fonction d'état" qui caractérise l'état du corps. La température du corps, en revanche, est bien une fonction d'état : on peut parler de sa température, sans référence à une durée ou transformation quelconque2. 3. La chaleur est une énergie Si on remue de l'eau avec une grosse cuillère, alors la température de l'eau va augmenter de 'T (due aux frottements de la cuillère contre les molécules d'eau). Joule a eu l'idée de comparer l'élévation de température 'T à l'énergie mécanique dépensée pour obtenir 'T. Pour cela il a fixé les cuillères en bois (des pales uploads/Litterature/ cours-1 3 .pdf

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