1.S : Température et chaleur (résumé)
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Termes clés
| échelle de température absolue | échelle, telle que Kelvin, avec un point zéro qui est le zéro absolu |
| zéro absolu | température à laquelle l'énergie cinétique moyenne des molécules est nulle |
| calorie (cal) | énergie nécessaire pour modifier la température de 1,00 g d'eau de 1,00 °C |
| calorimètre | récipient empêchant le transfert de chaleur à l'intérieur ou à la sortie |
| calorimétrie | étude du transfert de chaleur à l'intérieur d'un récipient imperméable à la chaleur |
| Échelle Celsius | échelle de température dans laquelle le point de congélation de l'eau est de 0 °C et le point d'ébullition de l'eau est de 100 °C |
| coefficient de dilatation linéaire | (\(α\)) propriété du matériau qui donne le changement de longueur, par unité de longueur, par\(1-°C\) changement de température ; constante utilisée dans le calcul de la dilatation linéaire ; le coefficient de dilatation linéaire dépend dans une certaine mesure de la température du matériau |
| coefficient d'expansion du volume | (\(β\)) similaire à αα mais donne la variation de volume, par unité de volume, par\(1-°C\) changement de température |
| conduction | transfert de chaleur à travers des matières stationnaires par contact physique |
| convection | transfert de chaleur par le mouvement macroscopique du fluide |
| point critique | pour une substance donnée, la combinaison de température et de pression au-dessus de laquelle les phases liquide et gazeuse ne peuvent pas être distinguées |
| pression critique | pression au point critique |
| température critique | température au point critique |
| degré Celsius | unité (°C) sur l'échelle de température Celsius |
| degrés Fahrenheit | unité (°F) sur l'échelle de température Fahrenheit |
| émissivité | mesure de la capacité de rayonnement d'un objet |
| Échelle Fahrenheit | échelle de température dans laquelle le point de congélation de l'eau est de 32 °F et le point d'ébullition de l'eau est de 212 °F |
| effet de serre | réchauffement de la Terre dû à des gaz tels que le dioxyde de carbone et le méthane qui absorbent le rayonnement infrarouge de la surface de la Terre et le reradionnent dans toutes les directions, renvoyant ainsi une partie de celui-ci vers la Terre |
| chaleur | énergie transférée uniquement en raison d'une différence de température |
| chaleur de fusion | énergie par unité de masse requise pour faire passer une substance de la phase solide à la phase liquide, ou libérée lorsque la substance passe de l'état liquide à l'état solide |
| chaleur de sublimation | énergie par unité de masse requise pour faire passer une substance de la phase solide à la phase vapeur |
| chaleur de vaporisation | énergie par unité de masse requise pour faire passer une substance de la phase liquide à la phase vapeur |
| transfert de chaleur | mouvement d'énergie d'un endroit ou d'un matériau à un autre en raison d'une différence de température |
| Échelle Kelvin (K) | échelle de température dans laquelle 0 K est la température la plus basse possible, représentant le zéro absolu |
| kilocalorie (kcal) | énergie nécessaire pour modifier la température de 1,00 kg d'eau entre 14,5 °C et 15,5 °C |
| coefficient de chaleur latente | terme général désignant les chaleurs de fusion, de vaporisation et de sublimation |
| équivalent mécanique de la chaleur | travail nécessaire pour produire les mêmes effets que le transfert de chaleur |
| taux net de transfert de chaleur par rayonnement | \(P_{net}=σeA(T_2^4−T_1^4)\) |
| diagramme de phase | graphique de la pression par rapport à la température d'une substance particulière, indiquant à quelles pressions et températures se produisent les phases de la substance |
| rayonnement | énergie transférée par les ondes électromagnétiques directement en raison d'une différence de température |
| taux de transfert de chaleur par conduction | taux de transfert de chaleur d'un matériau à un autre |
| chaleur spécifique | quantité de chaleur nécessaire pour modifier la température de 1,00 kg d'une substance de 1,00 °C ; également appelée « capacité thermique spécifique » |
| Loi de Stefan-Boltzmann sur les radiations | \(P=σAeT^4\), où\(σ=5.67×10^{−8}J/s⋅m^2⋅K^4\) est la constante de Stefan-Boltzmann, A est la surface de l'objet, T est la température absolue et e est l'émissivité |
| sublimation | changement de phase du solide au gaz |
| température | quantité mesurée par un thermomètre, qui reflète l'énergie mécanique des molécules d'un système |
| conductivité thermique | propriété d'un matériau décrivant sa capacité à conduire la chaleur |
| équilibre thermique | condition dans laquelle la chaleur ne circule plus entre deux objets en contact ; les deux objets ont la même température |
| dilatation thermique | modification de la taille ou du volume d'un objet en fonction du changement de température |
| stress thermique | stress causé par la dilatation ou la contraction thermique |
| point triple | pression et température auxquelles une substance existe en équilibre sous forme solide, liquide et gazeuse |
| vapeur | gaz à une température inférieure à la température d'ébullition |
| pression de vapeur | pression à laquelle un gaz coexiste avec sa phase solide ou liquide |
| loi zéro de la thermodynamique | loi qui stipule que si deux objets sont en équilibre thermique et qu'un troisième objet est en équilibre thermique avec l'un de ces objets, il est également en équilibre thermique avec l'autre objet |
Équations clés
| Expansion thermique linéaire | \(ΔL=αLΔT\) |
| Expansion thermique en deux dimensions | \(ΔA=2αAΔT\) |
| Expansion thermique en trois dimensions | \(ΔV=βVΔT\) |
| Transfert de chaleur | \(Q=mcΔT\) |
| Transfert de chaleur dans un calorimètre | \(Q_{cold}+Q_{hot}=0\) |
| Chaleur due au changement de phase (fusion et congélation) | \(Q=mL_f\) |
| Chaleur due au changement de phase (évaporation et condensation) | \(Q=mLv\) |
| Taux de transfert de chaleur par conduction | \(P=\frac{kA(T_h−T_c)}{d}\) |
| Taux net de transfert de chaleur par rayonnement | \(P_{net}=σeA(T_2^4−T_1^4)\) |
Résumé
1.2 Température et équilibre thermique
- La température est définie opérationnellement 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 troisième système C, alors A est également en équilibre thermique avec C.
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 et le travail sont les deux méthodes distinctes de transfert d'énergie.
- Le transfert de chaleur vers un objet lorsque sa température change est souvent bien approximé\(Q=mcΔT\), où m est la masse de l'objet et cis la chaleur spécifique de la substance.
1.6 Changements de phase
- La plupart des substances ont trois phases distinctes (dans des conditions normales sur Terre) et dépendent de la température et de la pression.
- Deux phases coexistent (c'est-à-dire qu'elles sont en équilibre thermique) à un ensemble de pressions et de températures.
- Les changements de phase se produisent à des températures fixes pour une substance donnée et à une pression donnée, et ces températures sont appelées points d'ébullition, de congélation (ou de fusion) et de sublimation.
1.7 Mécanismes de transfert de chaleur
- La chaleur est transférée par trois méthodes différentes : conduction, convection et rayonnement.
- La conduction thermique est le transfert de chaleur entre deux objets en contact direct l'un avec l'autre.
- Le taux de transfert de chaleur P (énergie par unité de temps) est proportionnel à la différence de température\(T_h−T_c\) et à la zone de contact A et inversement proportionnel à la distance d entre les objets.
- La convection est un transfert de chaleur par le mouvement macroscopique de la masse. La convection peut être naturelle ou forcée et transfère généralement l'énergie thermique plus rapidement que la conduction. La convection qui se produit en même temps qu'un changement de phase peut transférer de l'énergie des régions froides vers les régions chaudes.
- Le rayonnement est un transfert de chaleur par émission ou absorption d'ondes électromagnétiques.
- Le taux de transfert de chaleur radiative est proportionnel à l'émissivité e. Pour un corps noir parfait\(e=1\), alors qu'un corps parfaitement blanc, clair ou réfléchissant l'a fait\(e=0\), avec des objets réels ayant des valeurs de e comprises entre 1 et 0.
- Le taux de transfert de chaleur dépend de la surface et de la quatrième puissance de la température absolue :
\(P=σeAT^4\),
où\(σ=5.67×10^{−8}J/s⋅m^2⋅K^4\) est la constante de Stefan-Boltzmann et e est l'émissivité du corps. Le taux net de transfert de chaleur d'un objet par rayonnement est
\(\frac{Q_{net}}{t}=σeA(T_2^4−T_1^4)\),
où\(T_1\) est la température de l'objet entouré d'un environnement à température uniforme\(T_2\) et e est l'émissivité de l'objet.