1 : Température et chaleur
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Dans ce chapitre, nous explorons la chaleur et la température. Il n'est pas toujours facile de distinguer ces termes. La chaleur est le flux d'énergie d'un objet à un autre. Ce flux d'énergie est provoqué par une différence de température. Le transfert de chaleur peut modifier la température, tout comme le travail, un autre type de transfert d'énergie essentiel à la thermodynamique. Nous reviendrons sur ces idées de base à plusieurs reprises au cours des quatre prochains chapitres, et vous verrez qu'elles affectent tout, du comportement des atomes et des molécules à la cuisson, en passant par notre climat sur Terre et les cycles de vie des étoiles.
- 1.1 : Prélude à la température et à la chaleur
- La chaleur et la température sont des concepts importants pour chacun de nous, au quotidien. La façon dont nous nous habillons le matin dépend du fait qu'il fait chaud ou froid, et la plupart de nos activités nécessitent de l'énergie qui provient en fin de compte du soleil. L'étude de la chaleur et de la température fait partie d'un domaine de la physique connu sous le nom de thermodynamique. Les lois de la thermodynamique régissent le flux d'énergie dans l'univers. Ils sont étudiés dans tous les domaines des sciences et de l'ingénierie, de la chimie à la biologie en passant par les sciences de l'environnement.
- 1.2 : Température et équilibre thermique
- La température est définie d'un point de vue opérationnel comme la quantité mesurée par un thermomètre. Elle est proportionnelle à l'énergie cinétique moyenne des atomes et des molécules d'un système. L'équilibre thermique se produit lorsque deux corps sont en contact l'un avec l'autre et peuvent échanger librement de l'énergie. Les systèmes sont en équilibre thermique lorsqu'ils ont la même température. La loi zéro de la thermodynamique stipule que lorsque deux systèmes, A et B, sont en équilibre thermique l'un avec l'autre, et que B est en équilibre thermique avec un th
- 1.3 : Thermomètres et échelles de température
- Trois types de thermomètres sont l'alcool, les cristaux liquides et le rayonnement infrarouge (pyromètre). Les trois principales échelles de température sont Celsius, Fahrenheit et Kelvin. Les températures peuvent être converties d'une échelle à une autre en utilisant des équations de conversion de température. Les trois phases de l'eau (glace, eau liquide et vapeur d'eau) peuvent coexister à une pression et à une température uniques appelées point triple.
- 1.4 : Expansion thermique
- La dilatation thermique est l'augmentation de la taille (longueur, surface ou volume) d'un corps due à un changement de température, généralement une augmentation. La contraction thermique est la diminution de taille due à un changement de température, généralement une baisse de température. La contrainte thermique est créée lorsque la dilatation ou la contraction thermique est limitée.
- 1.5 : Transfert de chaleur, chaleur spécifique et calorimétrie
- La chaleur est un type de transfert d'énergie provoqué par une différence de température et qui peut modifier la température d'un objet. Comme nous l'avons appris plus tôt dans ce chapitre, le transfert de chaleur est le mouvement de l'énergie d'un endroit ou d'un matériau à un autre en raison d'une différence de température. Le transfert de chaleur est essentiel pour les activités quotidiennes telles que le chauffage et la cuisine domestiques, ainsi que pour de nombreux processus industriels. Il constitue également une base pour les sujets abordés dans le reste de ce chapitre.
- 1.6 : Changements de phase
- Les transitions de phase jouent un rôle théorique et pratique important dans l'étude du flux thermique. Lors de la fusion (ou « fusion »), un solide se transforme en liquide ; le processus inverse est la congélation. Lors de l'évaporation, un liquide se transforme en gaz ; le processus inverse est la condensation.
- 1.7 : Mécanismes du transfert de chaleur
- Les méthodes par lesquelles il se produit sont tout aussi intéressantes que les effets du transfert de chaleur sur un système. Chaque fois qu'il existe une différence de température, un transfert de chaleur se produit. Elle peut se produire rapidement, comme dans une poêle, ou lentement, comme à travers les parois d'une glacière à pique-nique. De nombreux processus impliquent un transfert de chaleur qu'il est difficile d'imaginer une situation dans laquelle aucun transfert de chaleur ne se produirait. Pourtant, chaque transfert de chaleur s'effectue par trois méthodes seulement : conduction, convection et rayonnement.
Vignette : La convection naturelle joue un rôle important dans le transfert de chaleur à l'intérieur de cette casserole d'eau. Une fois conduit vers l'intérieur, le transfert de chaleur vers les autres parties de la casserole se fait principalement par convection. L'eau plus chaude se dilate, diminue de densité et remonte pour transférer de la chaleur vers d'autres régions de l'eau, tandis que l'eau plus froide coule vers le fond. Ce processus ne cesse de se répéter.