Tout le monde connaît le concept d'avoir trop chaud ou trop froid ou de ressentir la chaleur du soleil par une journée chaude, mais que signifie spécifiquement le mot «chaleur»? Est-ce la propriété de quelque chose de «chaud»? Est-ce la même chose que la température? Il s'avère que la chaleur est une quantité mesurable que les physiciens ont précisément définie.
Qu'est-ce que la chaleur?

La chaleur est ce que les scientifiques appellent la forme d'énergie qui est transférée entre deux matériaux de température différente. Ce transfert d'énergie se produit en raison de différences dans l'énergie cinétique de translation moyenne par molécule dans les deux matériaux. La chaleur s'écoule du matériau à température plus élevée vers le matériau à température plus basse jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit atteint. L'unité SI de chaleur est le joule, où 1 joule \u003d 1 newton × mètre.

Pour mieux comprendre ce qui se passe lorsque ce transfert d'énergie se produit, imaginez le scénario suivant: Deux conteneurs différents sont remplis de minuscules billes de caoutchouc rebondir tout autour. Dans l'un des conteneurs, la vitesse moyenne des balles (et donc leur énergie cinétique moyenne) est beaucoup plus grande que la vitesse moyenne des balles dans le deuxième conteneur (bien que la vitesse de n'importe quelle balle individuelle puisse être n'importe quoi à tout moment) car tant de collisions provoquent un transfert continu d'énergie entre les balles.)

Si vous placez ces conteneurs de manière à ce que leurs côtés se touchent, puis supprimez les murs séparant leur contenu, que vous attendriez-vous?

Les balles du premier conteneur commenceront à interagir avec les balles du deuxième conteneur. À mesure que de plus en plus de collisions entre les billes se produisent, les vitesses moyennes des billes des deux conteneurs deviennent progressivement les mêmes. Une partie de l'énergie des balles du premier conteneur est transférée aux billes du deuxième conteneur jusqu'à ce que ce nouvel équilibre soit atteint.

C'est essentiellement ce qui se passe à un niveau microscopique lorsque deux objets de température différente arrivent en contact les uns avec les autres. L'énergie de l'objet à une température plus élevée est transférée sous forme de chaleur à l'objet à température inférieure.
Qu'est-ce que la température?

La température est une mesure de l'énergie cinétique de translation moyenne par molécule dans une substance. Dans l'analogie des balles dans un conteneur, il s'agit d'une mesure de l'énergie cinétique moyenne par balle dans un conteneur donné. Au niveau moléculaire, les atomes et les molécules vibrent et tremblent tous. Vous ne pouvez pas voir ce mouvement car il se produit à une si petite échelle.

Les échelles de température courantes sont Fahrenheit, Celsius et Kelvin, Kelvin étant la norme scientifique. L'échelle Fahrenheit est la plus courante aux États-Unis. Sur cette échelle, l'eau gèle à 32 degrés et bout à 212 degrés. Sur l'échelle Celsius, qui est courante dans la plupart des autres endroits du monde, l'eau gèle à 0 degré et bout à 100 degrés.

La norme scientifique, cependant, est l'échelle Kelvin. Bien que la taille d'un incrément sur l'échelle Kelvin soit la même que la taille d'un degré sur l'échelle Celsius, sa valeur 0 est définie à un endroit différent. 0 Kelvin est égal à -273,15 degrés Celsius.

Pourquoi un choix si étrange pour 0? Il s’avère que ce choix est beaucoup moins étrange que la valeur zéro de l’échelle Celsius. 0 Kelvin est la température à laquelle tout mouvement moléculaire s'arrête. C'est la température la plus froide absolue théoriquement possible.

Dans cette optique, l'échelle Kelvin est beaucoup plus logique que l'échelle Celsius. Pensez à la façon dont la distance est mesurée, par exemple. Il serait étrange de créer une échelle de distance où la valeur 0 équivaut à la marque de 1 m. Sur une telle échelle, qu'est-ce que cela signifierait pour quelque chose d'être deux fois plus long que quelque chose d'autre?
Température vs. Énergie Interne

L'énergie interne totale d'une substance est le total des énergies cinétiques de tous de ses molécules. Cela dépend de la température de la substance (l'énergie cinétique moyenne par molécule) et de la quantité totale de la substance (le nombre de molécules).

Il est possible pour deux objets d'avoir la même énergie interne totale tout en ayant températures entièrement différentes. Par exemple, un objet plus froid aura une énergie cinétique moyenne plus faible par molécule, mais si le nombre de molécules est important, il peut toujours se retrouver avec la même énergie interne totale d'un objet plus chaud avec moins de molécules.

Un résultat surprenant de cette relation entre l'énergie interne totale et la température est le fait qu'un gros bloc de glace peut se retrouver avec plus d'énergie qu'une tête d'allumette allumée, même si la tête d'allumette est si chaude qu'elle est en feu!
Comment Transferts de chaleur

Il existe trois méthodes principales par lesquelles les transferts d'énergie thermique d'un objet à un autre. Ce sont la conduction, la convection et le rayonnement.

La conduction
se produit lorsque l'énergie est transférée directement entre deux matériaux en contact thermique l'un avec l'autre. Il s'agit du type de transfert qui se produit dans l'analogie de la balle en caoutchouc décrite plus haut dans cet article. Lorsque deux objets sont en contact direct, l'énergie est transférée via des collisions entre leurs molécules. Cette énergie se déplace lentement du point de contact vers le reste de l'objet initialement plus froid jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit atteint.

Cependant, tous les objets ou substances ne conduisent pas aussi bien l'énergie de cette manière. Certains matériaux, appelés bons conducteurs thermiques, peuvent transférer l'énergie thermique plus facilement que d'autres matériaux, appelés bons isolants thermiques.

Vous avez probablement déjà eu de l'expérience avec de tels conducteurs et isolants dans votre vie quotidienne. Par une froide matinée d'hiver, comment marcher pieds nus sur un sol carrelé se compare-t-il à marcher pieds nus sur un tapis? Il semble que le tapis soit en quelque sorte plus chaud, mais ce n'est pas le cas. Les deux étages ont probablement la même température, mais le carreau est un bien meilleur conducteur thermique. Pour cette raison, l'énergie thermique quitte votre corps beaucoup plus rapidement.

La convection
est une forme de transfert de chaleur qui se produit dans les gaz ou les fluides. Les gaz et, dans une moindre mesure, les fluides, subissent des changements de densité avec la température. Habituellement, plus ils sont chauds, moins ils sont denses. Pour cette raison, et parce que les molécules dans les gaz et les fluides sont libres de se déplacer, si la partie inférieure devient chaude, elle se dilatera et augmentera donc vers le haut en raison de sa densité plus faible.

Si vous placez une casserole d'eau sur le poêle, par exemple, l'eau au fond de la casserole se réchauffe, se dilate et monte vers le haut au fur et à mesure que l'eau plus froide coule. L'eau plus froide se réchauffe, se dilate et monte ensuite et ainsi de suite, créant des courants de convection qui provoquent la dispersion de l'énergie thermique à travers le système via le mélange des molécules à l'intérieur du système (par opposition aux molécules qui restent toutes à peu près au même endroit qu'elles gigoter d'avant en arrière, rebondissant les uns sur les autres.)

La convection est la raison pour laquelle les radiateurs fonctionnent mieux pour chauffer une maison s'ils sont placés près du sol. Un radiateur placé près du plafond réchaufferait l'air près du plafond, mais cet air resterait en place.

La troisième forme de transfert de chaleur est le rayonnement
. Le rayonnement est le transfert d'énergie via les ondes électromagnétiques. Les objets chauds peuvent dégager de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. C'est ainsi que l'énergie thermique du soleil atteint la Terre, par exemple. Une fois que ce rayonnement entre en contact avec un autre objet, les atomes de cet objet peuvent gagner de l'énergie en l'absorbant.
Capacité calorifique spécifique

Deux matériaux différents de la même masse subiront des changements de température différents bien qu'ils aient le même énergie totale ajoutée en raison de différences dans une quantité appelée capacité thermique spécifique
. La capacité thermique spécifique dépend du matériau en question. Vous allez généralement rechercher la valeur de la capacité thermique spécifique d'un matériau dans un tableau.

Plus formellement, la capacité thermique spécifique est définie comme la quantité d'énergie thermique qui doit être ajoutée par unité de masse pour augmenter la température. par un degré Celsius. Les unités SI pour la capacité thermique spécifique, généralement désignées par c
, sont J /kgK.

Pensez-y comme ceci: Supposons que vous avez deux substances différentes qui pèsent exactement la même chose et sont à La première substance a une capacité thermique spécifique élevée et la seconde substance a une capacité thermique spécifique faible. Supposons maintenant que vous ajoutiez exactement la même quantité d'énergie thermique aux deux. La première substance - celle qui a la capacité thermique la plus élevée - n'augmentera pas autant en température que la deuxième substance.
Facteurs qui affectent le changement de température

De nombreux facteurs affectent la façon dont la température d'un la substance changera lorsqu'une quantité donnée d'énergie thermique lui sera transférée. Ces facteurs comprennent la masse du matériau (une masse plus petite subira un changement de température plus important pour une quantité donnée de chaleur ajoutée) et la capacité thermique spécifique c
.

S'il y a une chaleur source fournissant de l'énergie P
, alors la chaleur totale ajoutée dépend de P
et du temps t
. Autrement dit, l'énergie thermique Q
sera égale à P
× t
.

Le taux de changement de température est un autre facteur intéressant à considérer. Les objets modifient-ils leur température à un rythme constant? Il s'avère que le taux de variation dépend de la différence de température entre l'objet et son environnement. La loi de Newton sur le refroidissement décrit ce changement. Plus un objet est proche de la température ambiante, plus il s'approche lentement de l'équilibre.
Changements de température et changements de phase

La formule qui relie le changement de température à la masse d'un objet, à sa capacité thermique spécifique et à l'énergie thermique ajoutée ou retiré est le suivant:
Q \u003d mc \\ Delta T

Cette formule ne s'applique cependant que si la substance ne subit pas de changement de phase. Lorsqu'une substance passe du solide au liquide ou du liquide au gaz, la chaleur qui y est ajoutée est mise à contribution, provoquant ce changement de phase et n'entraînera pas de changement de température tant que le changement de phase n'est pas terminé.

Une quantité appelée chaleur latente de fusion, notée L _{f
, décrit la quantité d'énergie thermique par unité de masse nécessaire pour changer une substance d'un solide en un liquide. Tout comme pour la capacité thermique spécifique, sa valeur dépend des propriétés physiques du matériau en question et est souvent recherchée dans les tableaux. L'équation qui relie l'énergie thermique Q
à la masse d'un matériau m
et la chaleur latente de fusion est:
Q \u003d mL_f}

La même chose se produit lors du passage de ", 3, [[Dans une telle situation, une quantité appelée chaleur latente de vaporisation, notée L _{v
, décrit la quantité d'énergie par unité de masse qui doit être ajoutée pour provoquer le changement de phase. L'équation résultante est identique à l'exception de l'indice:
Q \u003d mL_v Chaleur, travail et énergie interne}

Énergie interne E
est l'énergie cinétique interne totale, ou énergie thermique, dans un Matériel. En supposant un gaz idéal où toute énergie potentielle entre les molécules est négligeable, il est donné par la formule:
E \u003d \\ frac {3} {2} nRT

où n
est le nombre de moles , T
est la température en Kelvin et la constante de gaz universelle R
\u003d 8,3145 J /molK. L'énergie interne devient 0 J à 0 K. absolu.

En thermodynamique, la relation entre les changements d'énergie interne, la chaleur transférée et le travail effectué sur ou par un système est liée via:
\\ Delta E \u003d QW

Cette relation est connue comme la première loi de la thermodynamique. Il s'agit essentiellement d'une déclaration de conservation de l'énergie.