L ' E N E R G I E T H E R M I Q U E Introduction : utilisation de l énergie thermique dans l hôtellerie et la restauration : Appareils producteurs de chaleur : Grill, Fours, Brûleurs, Radiateur, Chauffe-eau Appareils producteurs de froid : réfrigérateurs, congélateurs, chambres froides, cellules de refroidissement Lorsqu un corps reçoit de l énergie thermique il peut : emmagasiner cette chaleur et élever sa température changer d état I- Quantité de chaleur et variation de température. Lorsque deux corps de nature différente reçoivent la même quantité d énergie, leur température augmente différemment. La variation de température dépend de la nature du corps, de sa chaleur massique. 1/ La chaleur massique. Définition : Elle correspond à la capacité d un corps à capter l énergie thermique. La chaleur massique est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1 kg de corps pur de 1 C. Représentée par Cm Unité : J.(kg. C) -1 Exemples : Eau pure C m = 4180 J.(kg. C) - 1 Glace C m = 2200 J.(kg. C) - 1 Vapeur d eau C m = 1830 J.(kg. C) - 1 Alcool C m = 2480 J.(kg. C) - 1 Huile C m = 1250 J.(kg. C) - 1 Fer C m = 460 J.(kg. C) -1 1
2/ Application. Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de d eau pure de 1 C : Q = 4180 x 2 = 8360 J Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de d eau pure de 2 C : Q = 8360 x 2 = 16 720 J On en déduit la relation suivante : Q = m. Cm. (t f t i ) Q : quantité d énergie thermique en Joules m : masse du corps en kg Cm : chaleur massique du corps en J.(kg. C) -1 t f : température finale t i : température initiale II- Les changements d état 1/ Principe Lorsqu un corps reçoit suffisamment d énergie thermique, ses grains de matières (molécules et atomes) se disposent de façon de plus en plus désordonnée les uns par rapport aux autres passant ainsi d une structure très ordonnée (état solide) à une structure très désordonnée (état gazeux) Solide Liquide Gaz chaleur chaleur Remarque : Les changements d état s effectuent toujours à une même température pour un corps pur donné (à une pression donnée). Par exemple l eau passe de l état solide à l état liquide à, de l état liquide à l état gazeux à 10. 2
2/ Les différents changements d état LIQUIDE Solidification SOLIDE Fusion Vaporisation Condensation à l'état solide Sublimation Liquéfaction ou condensation à l'état liquide GAZ 3/ Notion de chaleur latente. Lorsqu'un corps change d'état une certaine quantité de chaleur est échangée. Cette quantité de chaleur est appelée chaleur latente. Elle dépend de la nature du corps en question. Définitions : Chaleur latente de fusion : C est la quantité de chaleur nécessaire pour faire passer 1 kg de corps pur à l état solide à l état liquide. Exemples : Glace 334 kj.kg -1 Légumes 313,5 kj.kg -1 Viande 234 kj.kg -1 Poissons 263,3 kj.kg -1 Chaleur latente de vaporisation : La chaleur latente de vaporisation est la quantité de chaleur nécessaire pour faire passer 1 kg de corps pur de l état liquide à l état gazeux. Exemple : Eau 2257 kj.kg -1 3
Exercice d application : Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour amener la température de de glace de -3 à + 12. -3 10 vapeur à 10 vapeur à 12 Elévation de température Changement d'état Représentation de l évolution de la température en fonction de la quantité de chaleur fournie : Température ( C) 120 100 0 10 vapeur à 10 Chaleur (J) -30 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Calcul de la quantité de chaleur Q1 pour élever la température de d eau de -30 à : Q1 = m. Cm. (t f t i ) = 2 x 2,2 x (0 + 30) = 132 kj Calcul de la quantité de chaleur Q2permettant la fusion de glace : Q2 = m. C L = 2 x 334 = 668 kj Calcul de la quantité de chaleur Q3 pour élever la température de d eau de 0 à 10 : Q3 = m. Cm. (t f ti ) = 2 x 4,18 x (100-0) = 836 kj Calcul de la quantité de chaleur Q4permettant la vaporisation de d eau : Q4 = m. C L = 2 x 2257 = 4514 kj Calcul de la quantité de chaleur Q5 pour élever la température de d eau de 100 à 12 : Q5 = m. Cm. (t f t i ) = 2 x 1,83 x (120-100) = 73,2 kj Calcul de la quantité totale de chaleur à fournir Qt = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 6223 kj 4
4/ Cas particulier : les refroidissements Lors de sa condensation, un corps cède de la chaleur. La réaction est dite exothermique. La quantité de chaleur cédée au cours de la condensation est identique à celle absorbée lors de la fusion (ou de la vaporisation). 5