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BTS et 1er cycle universitaire. c.haouy@ac-nancy-metz.fr Cours de thermodynamique n°1 : température et chaleur. Mise à jour du 21/02/07. page 1/1 Colonne de gauche = discours fait aux élèves, pas forcément écrit au tableau Colonne de droite = illustrations du propos tenu au paragraphe correspondant de la colonne de gauche, écrites au tableau ou montrées sur transparents. Voir l’Introduction aux cours de thermodynamique pour situer ce cours dans son contexte. Les exercices signalés sont disponibles en fin du cours. cours n° 1 : Température et chaleur. Pré-requis : température d'un corps A retenir : Chaleur latente QL , chaleur de combustion QC et chaleur d'échauffement Q Plan : 1. Notion de chaleur 2. Chaleur = grandeur physique 3. Chaleur = énergie 4. Signe de la chaleur et énergie interne 5. Chaleur latente et chaleur de combustion Bibliographie : Introduction à la thermodynamique, C. Lhuillier et J. Rous, Dunod. Les machines transformatrices d'énergie, tome 1, par G. Lemasson, cours de mécanique R. Basquin, Delagrave, 1963. 1. Notion de chaleur. 1er cas : Prenons un nageur (température interne T | 37°C) qui nage dans la mer (20°C) : il a une sensation de froid Ÿ il perd donc de la chaleur que l'on notera par exemple Q. Pourtant : sa température est restée à 37° C Ÿ il a donc cédé de la chaleur Q sans se refroidir : chaleur et température sont donc deux "concepts" différents : 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 (même température) on avait froid…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. Interprétation : notre sensation de froid 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. 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…mais on avait froid. Température et chaleur sont donc 2 choses 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 o voir page suivante 1. 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 que de la température extérieure. BTS et 1er cycle universitaire. c.haouy@ac-nancy-metz.fr Cours de thermodynamique n°1 : température et chaleur. Mise à jour du 21/02/07. page 2/2 une sensation de froid de –1°C pour 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°C…Bref on aura compris que la température n'est pas synonyme de chaleur, même si ces 2 notions sont liées. Mettons également un morceau de métal chaud dans un bain d'eau - glace (T = 0°C). 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 Ÿ ce n'est pas parce qu'un corps (ici le bain) reçoit de la chaleur que sa température augmente, de même ce n'est pas parce que le nageur perdait de la chaleur que sa température diminuait Ÿ chaleur et température sont vraiment 2 grandeurs différentes. 2. Chaleur = grandeur physique (elle est donc mesurable). 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 (voir 1/2 page de droite). On constate alors que dans le cadre particulier1 d'un échauffement (ou refroidissement) : 1. Q proportionnel à M : Q = k1 u M avec k1  Cte 2. Q proportionnel à 'T (différence entre la température initiale et la température finale du cuivre) : Q = k2 u 'T avec k2  Cte 3. Q liée au corps. Cela se résume par la relation Q  M.C.'T qui définit la "chaleur massique" ou "capacité calorifique massique" C  Q/(M·'T) du corps, c'est-à-dire la faculté qu'à le corps de céder de la chaleur Q pour un refroidissement 'T donné (un thermostat est un dispositif qui fournit ou emmagasine une chaleur Q en gardant sa température constante Ÿ 'T = 0 pour Q z 0 : il possède donc une chaleur massique C infinie). 1 Ces 4 expériences sont menées sans transformation chimique et sans changement de phase du corps plongé dans la glace, ce qui implique (on en parlera ultérieurement) que la chaleur cédée par le corps modifie inexorablement sa température (ce qui n'était pas le cas du nageur où les aliments qu'il avait ingérés lui permettait de conserver sa température constante grâce aux transformations chimiques menées dans son estomac). 2. Prenons un entonnoir rempli de glace pilée (glace fondante 0°C) et réalisons 4 expériences : On considèrera que la quantité de chaleur Q cédée par le corps solide (cuivre ou soufre) est proportionnelle à la quantité d'eau récupérée. 1 et 2 Ÿ Q v (proportionnel à) la masse M Synthèse : chaleur d'échauffement : Q  M.C.'T Exercice 1. [kCal] [kg] [kcal.kg-1.K-1] [K] M = 1 kg de cuivre à T | 100°C 120 g d'eau M = 2 kg de cuivre à T | 100°C 240 g d'eau 1 2 M = 1 kg de cuivre à T | 50°C 60 g d'eau 1 et 3 Ÿ Q v 'T M = 1 kg de soufre à T | 100°C 220 g d'eau 1 et 4 Ÿ Q liée au corps 3 4 BTS et 1er cycle universitaire. c.haouy@ac-nancy-metz.fr Cours de thermodynamique n°1 : température et chaleur. Mise à jour du 21/02/07. page 3/3 Un corps qui possède C petit se refroidit beaucoup pour céder Q. Un corps qui possède C élevé se refroidit peu en cédant la chaleur d'échauffement Q. Dans les expériences 1 et 4 de la 1/2 page de droite le souffre et le cuivre de même masse portés à 100°C puis refroidis à 0°C ('T = 0°C) cèdent 2 quantités de chaleur différentes (évaluées par la quantité d'eau que cela à créé). On a Qsoufre > Qcuivre Ÿ M·Csoufre·'T > M·Ccuivre·'T Ÿ Csoufre > Ccuivre 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 mbars. La chaleur est donc définie par une unité, la "calorie". On verra au paragraphe suivant qu'il s'agira en fait d'une énergie, elle sera donc exprimée ultérieurement en joules (symbole [J]). Remarque importante : un corps n'a pas une quantité de chaleur déterminée (contrairement à la température). Il perd ou gagne de la chaleur (ou "quantité de chaleur") en fonction des corps avec lesquels il entre en contact 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". 3. Chaleur = énergie. Si on remue de l'eau avec une grosse cuillère, alors la température de l'eau va augmenter de 'T (frottement 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 en fait) à l'axe d'une poulie entraînée par une masse : la masse qui tombe libère son énergie potentielle (travail mécanique m·g·h) et provoque une élévation de température 'T de l'eau du bac. Cette élévation 'T de température est provoquée cette fois-ci par une énergie mécanique (travail des forces de frottement) et non plus directement par un apport de chaleur comme dans le paragraphe précédent. Chaleur et travail (énergie mécanique) provoquent donc le même effet apparent (augmentation de température 'T), c'est pourquoi on considère uploads/Litterature/ thermodynamique-cours-1.pdf

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