L'ENERGIE THERMIQUE I. ENERGIE THERMIQUE - CHALEUR I.1. Energie thermique Expérience : Un ballon en verre rempli d'air fermé par un bouchon de liège est chauffé. Observation : Le bouchon de liège saute. Interprétation : L'élévation de la température de l'air (molécules et atomes) emprisonné dans le ballon entraîne l'augmentation du volume d'air. Celui-ci augmente car l'agitation des molécules et atomes augmentent. Conclusion : L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'agitation désordonnée de particules (molécules, atomes ). Remarques : - Une augmentation de l'agitation de particules composant un matériau se traduit par une augmentation de température de ce matériau (et inversement). - Un matériau composé de particules inertes a une température appelée zéro absolu (0K ou zéro Kelvin). - Echelles de température : Donc, on a T(K)=T( C)+273 I.2. Chaleur Expérience : Un vélo roule les freins serrés. Observation : La température au niveau des freins et de la jante augmente. Interprétation : L'énergie cinétique macroscopique du vélo est égale à l'énergie cinétique microscopique d'agitation désordonnée des particules constituant les freins et le jante. La chaleur est l'énergie véhiculée pendant ce transfert. Conclusion : La chaleur est un mode de transfert de l'énergie thermique
I.3. Modes de transfert de la chaleur I.3.1. La conduction Expérience : L'eau contenue dans une casserole est chauffée par une flamme. Observation : La température de l'eau augmente. Interprétation : Le métal de la casserole est constitué d'atomes. Sous l'effet de la flamme, les atomes s'agitent et cette agitation se propage de proche en proche, les molécules d'eau s'agitent alors. Conclusion : Le mode de propagation de l'énergie microscopique de proche en proche est appelée conduction thermique. Remarques : - Les matériaux qui conduisent la chaleur sont des conducteurs thermiques (tous les métaux constituants des chaudières, radiateurs ) - Les matériaux qui conduisent mal la chaleur sont des isolants thermiques (le bois, laine de verre, air, vide utilisés dans l'isolation des maisons) I.3.2. La convection Expérience : Une feuille de papier est maintenue au-dessus d'un radiateur. Observation : La feuille de papier se met en mouvement. Interprétation : Au contact du radiateur, l'air est réchauffé. L'air chaud quitte le radiateur et se répand dans toute la pièce et mettant en mouvement la feuille de papier. Conclusion : La chaleur se propage par déplacement de matière, c'est la convection. I.3.3. Le rayonnement Le soleil réchauffe l'atmosphère, la Terre par rayonnement. La transmission de la chaleur s'effectue sans aucun support matériel (vide). Conclusion : Un mode de transfert de la chaleur est le rayonnement. Remarque : Le soleil, tous les corps chauds, les nuages, la Terre, une flamme rayonnent.
II. LA CALORIMETRIE II.1. Enceinte adiabatique Définition : Une enceinte adiabatique est une enceinte fermée dont les parois sont constituées d'un isolant thermique (aucun échange de chaleur avec l'extérieur) Exemples : la bouteille Thermos, le calorimètre. Schéma d'un calorimètre : II.2. Equilibre thermique Soit deux corps A et B dans une enceinte adiabatique à des températures T A et T B avec T A >T B. Le corps A échange la quantité de chaleur Q A avec Q A <0, il perd de l'énergie. Le corps B échange la quantité de chaleur Q B avec Q B >0, il gagne de l'énergie. Après quelques instants les corps A et B finissent par avoir la même température T : on est a l'équilibre thermique. L'équation calorimétrique s'écrit : Q A + Q B = 0 Généralisation : Soit n corps dans une enceinte adiabatique. Les n corps échangent respectivement les quantités de chaleur Q 1, Q 2, Q 3,, Q n. A l'équilibre thermique, la somme des quantités de chaleur échangées est nulle. L'équation calorimétrique s'écrit : Q 1 + Q 2 + Q 3 + + Q n = n Q i i= 1 = 0
III. QUANTITE DE CHALEUR III.1. Quantité de chaleur échangée par un corps dont la température est modifiée sans changement d'état Définition : La quantité de chaleur échangée par un corps de masse m subissant une variation de température de T 1 à T 2 est notée Q et s'écrit : Q = m c ( T 2 T1) m en kg, T 2 et T 1 en C ou K Vocabulaire : c est appelée la capacité thermique massique du corps dans un état donné et s'exprime en J.kg -1. C -1 ou J.kg -1.K -1. (VOIR DOCUMENT) Exercice :Calculer la quantité de chaleur qu'il faut apporter à 400g d'eau liquide pour élever sa température de 25 C à 80 C. Remarque : En calorimétrie, le calorimètre peut participer aux échanges de chaleur. La quantité de chaleur échangée par un calorimètre s'écrit : Q = K ( T 2 T1) T 2 et T 1 en C ou K Vocabulaire : K est appelée capacité calorifique du calorimètre et s'exprime en J. C -1 ou J.K -1. III.2. Quantité de chaleur échangée par un corps lors d'un changement d'état à température constante III.2.1. Les changements d'état Tout changement d'état physique s'accompagne d'une modification des interactions entre les constituants du corps. Ce changement d'état physique met en jeu une certaine quantité de chaleur qui correspond aux modifications du système au niveau microscopique.
III.2.2. Définition : La quantité de chaleur échangée par un corps de masse m qui change d'état à température constante est notée Q et s'écrit : Q = m L m en kg Vocabulaire : L est appelée chaleur de changement d'état et s'exprime en J.kg -1. Notation : On attribue à la chaleur latente L, une lettre en indice qui est la première lettre du changement d'état considéré. Exemple : L f, chaleur latente de fusion. Exemple de l'eau : A T=0 C, L f =335000J.Kg -1 De plus à T=0 C, L s =-L f =-335000J.kg -1. A T=100 C, L v =2260kJ.kg -1. IV. LA CHALEUR DE REACTION IV.1. Définition : La chaleur de réaction à pression constante est la quantité de chaleur Qp échangée par le système au milieu extérieur. - Pour une réaction exothermique, Qp<0. Exemple : réactions de combustion, acido-basiques, d'oxydoréduction - Pour une réaction endothermique, Qp>0. - Pour une réaction athermique Qp=0. Exemple : réaction d'estérification. IV.2. Le pouvoir calorifique Fuels, charbons, essences, gaz brûlent en dégageant des quantités de chaleur importantes. Tout combustible est caractérisé par son pouvoir calorifique. Définition : Le pouvoir calorifique est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'un kilogramme (pour un solide ou un liquide) ou d'un mètre cube (pour un gaz) Exemples : - Charbon : 2 10 4 à 3,5 10 4 kj.kg -1. - Fuel : 4,2 10 4 kj.kg -1. - Gaz naturel : 4 10 4 kj.m -3. - Alcane C n H 2n+2 : (664 n+221)kj.mol -1. Remarque : Dans le milieu de l'énergie, on utilise : - la T.E.P (Tonne Equivalent Pétrole) : c'est la quantité de chaleur fournie par la combustion complète d'une tonne de pétrole. - la T.E.C (Tonne Equivalent Charbon) : c'est la quantité de chaleur fournie par la combustion complète d'une tonne de charbon de pouvoir calorifique 2,75 10 4 kj.kg -1. On considère que 1 T.E.P = 1,5 T.E.C =10m 3 de gaz naturel 1m 3 de fuel = 1,5 T.E.C 1m 3 d'essence = 1,25 T.E.C