Température, Chaleur et Dilatation Thermique : Concepts Fondamentaux

Température

• Concept : C'est la manifestation observable de l'énergie cinétique des molécules. Elle mesure l'état thermique d'un corps. Plus l'énergie cinétique des molécules est grande, plus la température est élevée.
• Effets : Dilatation (augmentation du volume d'un corps), variation de la résistance électrique ou de la pression.

Thermomètres

• C'est un appareil utilisé pour mesurer les températures.
• Il fonctionne grâce au principe de l'équilibre thermique : le thermomètre atteint la même température que l'objet avec lequel il est en contact.
• Le thermomètre clinique possède un goulot d'étranglement qui empêche le mercure de redescendre seul. Il est généralement gradué entre 35 °C et 42 °C pour mesurer la température maximale atteinte.

Échelles de Température

• Celsius (°C) : Également appelée Centigrade.
• Kelvin (K) : C'est l'échelle absolue. Le point le plus bas est le zéro absolu (0 K), équivalent à -273,15 °C. Pour convertir une température en °C en Kelvin, il faut ajouter 273,15.
• Fahrenheit (°F) : 0 °C = 32 °F et 100 °C = 212 °F.

Dilatation Thermique

Un effet de la variation de la température d'un corps est le changement de sa taille ou de son volume : c'est le phénomène de la dilatation.

Facteurs de la Dilatation

• Le changement de température.
• Le volume initial du corps.
• La nature chimique du corps (comparer métal avec plastique).

Le coefficient de dilatation exprime la variation de volume pour chaque unité de volume initial et pour chaque degré de changement de température. (Il existe des coefficients linéaires, surfaciques et volumiques).

Dilatation des Liquides (Dilatation Apparente)

La dilatation thermique volumique d'un liquide suit une loi similaire à celle des solides. La variation de volume du liquide est directement proportionnelle au volume initial et à la variation de température.

Considérons un récipient rempli de liquide jusqu'à un certain niveau. Si nous chauffons ce récipient, le liquide s'expulse. Cependant, le volume de liquide expulsé n'est pas l'expansion réelle du liquide. Pourquoi ? Parce que le conteneur lui-même s'est également dilaté.

Par conséquent, le volume de liquide déplacé est beaucoup moins que la véritable expansion du liquide. Cette mesure est appelée expansion apparente.

L'Anomalie de Dilatation de l'Eau

Si l'on prend 1 kg d'eau à 0 °C et que l'on commence à élever sa température, l'eau se contracte jusqu'à 4 °C (atteignant sa densité maximale), puis elle commence à se dilater au-delà de 4 °C.

Conséquences sur les Lacs

1. Initialement, l'eau du lac est à une température supérieure (ex: 14 °C).
2. L'air commence à se refroidir, faisant baisser la température de l'eau de surface.
3. Lorsque l'eau de surface atteint 4 °C, elle coule vers le fond car l'eau à 4 °C est la plus dense.
4. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que toute la masse d'eau du lac atteigne 4 °C.
5. Une fois que tout le lac est à 4 °C, la température de l'eau de surface peut descendre jusqu'à 0 °C. Cette eau plus froide (et moins dense que l'eau à 4 °C) reste en surface et gèle.

Grâce à cette anomalie, les lacs gèlent par la surface et non par le fond. La glace flotte sur l'eau liquide, permettant à la vie aquatique de survivre sous la glace.

Chaleur et Équilibre Thermique

Chaleur

La chaleur est l'énergie qui est transférée d'un objet à un autre en raison d'une différence de température.

Équilibre Thermique

Considérons deux corps en contact thermique. S'il n'y a pas de flux de chaleur entre ces corps, on dit qu'ils sont en équilibre thermique.

Calorimétrie

L'échange d'énergie est la base de la calorimétrie, c'est-à-dire la mesure quantitative de l'échange thermique. Ces mesures sont effectuées à l'aide d'un calorimètre, permettant de calculer les chaleurs spécifiques de diverses substances.

La Bombe Calorimétrique

Pour mesurer la chaleur dégagée lors de la combustion d'une substance, on utilise une bombe calorimétrique. Ses applications principales incluent la détermination de la teneur en chaleur des aliments ou la chaleur de combustion de divers matériaux.

Un échantillon est placé avec précision, souvent sous haute pression d'oxygène, dans un récipient fermé (la bombe). La bombe est ensuite placée à l'intérieur du calorimètre. Une résistance électrique allume le mélange. En mesurant la variation de la température de l'eau du calorimètre, on peut déterminer l'énergie libérée.

Équivalent en Eau du Calorimètre

Lors d'une expérience, la chaleur rejetée par le corps chaud n'est pas seulement absorbée par l'eau, mais aussi par les éléments du calorimètre (le verre, le thermomètre, l'agitateur). Tous ces éléments sont remplacés par ce qu'on appelle l'équivalent en eau du calorimètre (m'), une valeur ajoutée à la masse initiale de l'eau, qui absorbe la même quantité de chaleur que les éléments du calorimètre.

Quantité de Chaleur (Q)

La quantité de chaleur (Q) nécessaire pour faire varier la température d'une substance dépend de la masse (m), de la variation de température (ΔT) et de la nature de la substance (indiquée par la chaleur spécifique, c).

Elle est calculée par l'équation fondamentale de la calorimétrie :

La Calorie (cal)

La calorie est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'un gramme d'eau de 1 °C (spécifiquement de 14,5 °C à 15,5 °C). Ces valeurs sont spécifiées car la chaleur nécessaire varie légèrement à différentes températures.

Chaleur Spécifique (c)

La chaleur spécifique est la quantité de chaleur nécessaire pour changer la température de 1 gramme de substance de 1 °C.

Elle est mesurée en :

Théorème Fondamental de la Calorimétrie

Modes de Transfert de Chaleur

• Conduction

  Si l'on place une extrémité d'une tige de métal en contact avec le feu, la température augmente progressivement à l'autre extrémité. La chaleur est transmise par conduction.

• Convection

  Lorsqu'on chauffe de l'eau dans une casserole, le mouvement des fluides se produit en raison des changements de densité. L'eau chauffée (moins dense) monte, tandis que l'eau froide (plus dense) descend. Ces mouvements sont une forme de transfert de chaleur par convection.

• Rayonnement

  Un appareil de chauffage à quartz transfère l'énergie principalement par rayonnement, tout comme le Soleil.

Changement d'État

Lors d'un changement d'état, toute l'énergie fournie à un système sert à rompre les forces d'attraction moléculaire.

C'est pourquoi, pendant le processus de changement d'état, la température du système reste constante.

La quantité de chaleur nécessaire pour un changement d'état est donnée par la formule suivante :

Chaleur Latente (L)

La chaleur latente (L) est la quantité d'énergie nécessaire à transférer à 1 gramme de substance pour effectuer le changement d'état. Elle dépend de la substance et du type de changement d'état.

Les Six Changements d'État

• De gazeux à liquide : Condensation (ou Liquéfaction)
• De liquide à gazeux : Vaporisation
• De solide à liquide : Fusion
• De liquide à solide : Solidification
• De solide à gazeux : Sublimation (ou Volatilisation)
• De gazeux à solide : Sublimation inverse (ou Déposition)