Thermique : comment caractériser les échanges d'énergie sous forme thermique ?

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La température

Définition

La température est une grandeur physique que l’on peut mesurer à l’aide d’un thermomètre.

A) L’évolution des échelles de température

a) Le degré Celsius

L’échelle de température Celsius est une échelle de température relative, inventée en 1742 par l’astronome et physicien suédois Anders Celsius. Son unité est le degré Celsius, de symbole °C. Elle est graduée de 0 (température de solidification de l’eau) à 100 (température de vaporisation de l’eau).

b) Le degré Kelvin

En 1848, Lord Kelvin, physicien britannique, établit la corrélation entre la baisse de température et celle de la chaleur d’un corps étudié : à –273,15 °C, plus aucune chaleur ne peut être tirée de ce corps. Il propose de donner la valeur 0, appelée « zéro absolu », à cette température et de créer ainsi une nouvelle échelle de température absolue, en gardant le même intervalle que le degré Celsius. L’unité de cette nouvelle échelle est le kelvin, de symbole K.

Attention

N’étant pas une mesure relative, le kelvin n’est jamais précédé du mot « degré » ni du symbole « ° », contrairement au degré Celsius.

La formule pour passer de la température en kelvin à la température en degrés Celsius est donc : Tkelvin = TCelsius + 273,15.

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Comparaison des échelles Celsius (en haut) et Kelvin (en bas)

B) Le thermomètre

L’invention du thermoscope, ancêtre du thermomètre, est attribuée à Galilée au début du XVIIe siècle. Cependant, il existe des écrits datant des IIIe et Ier siècles avant J.C. qui font référence à des thermoscopes. Le premier thermomètre moderne est quant à lui mis au point par le physicien allemand Gabriel Fahrenheit en 1724.

Un thermomètre est un appareil qui sert à mesurer et à afficher la valeur de la température. La mesure est fondée soit sur la dilatation et la pression des corps (liquides, solides, gazeux) soit sur d’autres propriétés physiques (variations électriques, couleur d’émission).

Il existe différents types de thermomètre : les plus utilisés sont à liquide ou électroniques. Les thermomètres à liquide usuels sont à mercure ou à alcool (voire à l’huile de colza). Les thermomètres électroniques fonctionnent quant à eux selon divers principes :

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– le thermocouple, basé sur l’effet Seebeck, est constitué de deux fils de métaux ou alliages différents A et B, ayant chacun une extrémité soudée et plongée dans le milieu à mesurer. Il se crée alors une tension eAB entre les deux autres extrémités ;

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– la thermo-résistance utilise l’augmentation régulière de la résistivité de certains métaux (argent, cuivre, nickel, or, platine, tungstène, titane) avec l’augmentation de la température ;

– la thermistance est basée sur la variation (plus importante) de la résistance d’autres matières (oxydes métalliques, composites) en fonction de la température. Il existe deux types de capteurs : CTP (coefficient de température positive) et CTN (coefficient de température négative) ;

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– la thermosonde à résistance de platine est un type de thermistance permettant de mesurer la température. Elle est basée sur le fait que la résistance électrique du platine varie selon la température. La sonde Pt–100 possède une résistance de 100 ohms à la température de 0 °C ;

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– le thermomètre à cristaux liquides est un thermomètre dont la partie sensible est constituée de cristaux liquides thermochromiques (c’est-à-dire qui changent de couleurs en fonction de la température) ;

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le thermomètre infrarouge est un instrument de mesure de la température de surface d’un objet à partir du rayonnement que cet objet émet dans l’infrarouge.

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L'équilibre thermique

Deux corps A et B sont à des températures différentes θA et θB. Lorsqu’ils entrent en contact, ils échangent de l’énergie thermique : c’est ce transfert d’énergie thermique que l’on appelle chaleur. Lors de cet échange, il y a variation de la température de chaque corps : quand les températures sont égales (θA = θB), les deux corps sont en état d’équilibre thermique.

Remarque

Le transfert de chaleur se fait toujours du chaud vers le froid.

On peut vérifier le principe de l’équilibre thermique en réalisant l’expérience suivante :

verser dans un bécher un liquide préalablement chauffé, et remplir un cristallisoir d’un liquide froid ;

à l’aide de deux thermomètres (ou capteurs ExAO), relever les températures θ1 et θ;

placer ensuite le bécher contenant le liquide chaud dans le cristallisoir rempli de liquide froid ;

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relever et observer l’évolution des températures.

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Évolution des températures au cours de l’expérience

Le changement d'état

A) Les différents types de changement d’état

L’agitation thermique des particules (atomes ou molécules) est plus ou moins importante suivant l’état de la matière :

lorsque la matière est à l’état solide, les particules vibrent sur place mais ne se déplacent pas ;

à l’état liquide, la structure n’est plus ordonnée et les particules se déplacent de façon limitée ;

à l’état gazeux, les particules ont un mouvement très désordonné, elles se déplacent vite et sont assez éloignées les unes des autres.

Lors de changements d’état correspondant à un passage vers une agitation plus faible des particules (solidification, condensation, liquéfaction), la matière libère de l’énergie et sa température baisse.

Lors de changements d’état correspondant à un passage vers une agitation plus importante des particules (sublimation, vaporisation, fusion), la matière reçoit de l’énergie et sa température augmente.

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B) Expériences

a) La solidification

On réalise l’expérience suivante : placer un thermomètre (ou un capteur ExAO de température) sur le support d’un mini-congélateur (attention à ce qu’il ne touche pas les parois de la cuve en métal). Remplir cette cuve avec de l’eau, mettre le congélateur sous tension et suivre l’évolution de la température de l’eau au cours du temps.

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On observe :

la transformation de l’eau en glace ;

un palier sur la courbe de température, correspondant au moment du changement d’état : la température reste constante tandis que l’eau se change en glace.

b) La vaporisation

On réalise l’expérience suivante : remplir un bécher d’eau et le poser sur une plaque chauffante. Placer un thermomètre (ou un capteur ExAO) à l’intérieur. Suivre l’évolution de la température jusqu’à l’ébullition.

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On observe que :

pendant toute la phase d’échauffement de l’eau, la température augmente ;

lorsque l’eau bout, la température reste constante à 100 °C. Durant cette phase il y a changement d’état : l’eau sous forme liquide passe à l’état gazeux.

c) Conclusion

Pour un corps pur, c’est-à-dire un corps ne contenant qu’une seule espèce chimique, comme l’eau, le changement d’état se fait à température constante. La température de fusion et de solidification est la même.

En revanche, pour un mélange, il n’y a pas de palier lors des changements d’état, et les températures de fusion et de solidification ne sont pas les mêmes.

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Le calcul de l'énergie thermique

Lors d’un transfert de chaleur, la quantité d’énergie apportée (ou cédée) permet soit une élévation (ou une diminution) de la température, soit un changement d’état.

Lors d’un transfert thermique sans changement d’état, la quantité de chaleur Q, exprimée en joule (J), dégagée ou absorbée par un corps se calcule avec la formule :

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Définition

La capacité thermique massique, notée c, est la capacité d’un matériau à accumuler de l’énergie sous forme thermique.

Application

Calculer l’énergie thermique Q nécessaire pour chauffer 200 L d’eau de 18°C à 60°C. Le résultat sera donné en mégajoule.

Données :

– température initiale θ: 18 °C ;

– température finale θ2 : 60°C ;

– masse du corps m : 200 kg ;

– capacité thermique massique du corps c : 4,190 kJ–1.kg.°C–1.

Solution

Q = m × c × (θ2 − θ1).

Q = 200 × 4190 × (60 – 18).

Q = 35 196 000 J = 35,195 MJ

L’énergie thermique nécessaire pour élever la température de l’eau de 18 à 60°C sera de 35,195 MJ