La calorimétrie - 1er s

Classe: 
Première
 
 
L'énergie transférée à un corps sous forme de travail peut modifier l'énergie cinétique ou l'énergie potentielle de ce corps. Si le corps n'est soumis qu'à des forces extérieures conservatives, son énergie mécanique reste constante. Si le corps n'est soumis en plus à des forces extérieures, son énergie mécanique ne se conserve pas en générale. Dans le cas particulier des forces de frottements, l'énergie mécanique du corps diminue. Mais cette diminution ne se fait pas sans laisser des traces : on constate que le corps s'échauffe ou change d'état.

I. Notion de chaleur

1. Transformation de l'énergie mécanique en énergie thermique sous forme de chaleur

1.1 Étude d'un exemple

Un cycliste pédale sur une pente et freine pour maintenir sa vitesse constante. L'énergie mécanique du système (cycliste et bicyclette) diminue. (L'énergie cinétique demeure constante mais, l'énergie potentielle décroit). On peut constater à la fois de la course qu'il y a échauffement des patins. Nous dirons qu'il y a eu :
 
$\blacktriangleright\ $diminution de l'énergie mécanique (cycliste et bicyclette)
 
$\blacktriangleright\ $apparition de l'énergie thermique

1.2. Conclusion

Lorsqu'il existe des forces de frottements au sein d'un système, celui-ci évolue spontanément avec diminution de l'énergie mécanique donc dégradation de l'énergie mécanique

2. Transfert de l'énergie par chaleur

Une casserole métallique contenant de l'eau est placée dans la flamme d'un bruleur de gaz. Nous observons une élévation de température puis sous ébullition à température constante. L'accroissement des énergies potentielles et cinétiques des particules constitutives du système qui conduit à une diminution de la cohésion des molécules et à la vaporisation de l'eau. De l'énergie thermique est transférée de la flamme vers l'eau, de la casserole par chaleur.

3. Définition

Lorsqu'un échange d'énergie a lieu sous forme d'agitation de particules nous l'appelons chaleur. La quantité d'énergie échangée ou quantité de chaleur ou encore quantité d'énergie thermique noté $Q$ s'exprime en joules $(J)$
 
Autres unité : la calorie $(1Cal)$ : $1Cal=4.18J$

4. Convention de signe

Par convention $Q$ représente la quantité d'énergie échangée.
 
$\blacktriangleright\ $Si $Q˃0$ (positif) le système reçoit de la chaleur
 
$\blacktriangleright\ $Si $Q˂0$ (négatif) le système cède de la quantité de chaleur 

5. Chaleur et température

Ne confondons pas chaleur et température. 
La chaleur est un mode de transfert d'énergie interne entre des corps résultant de leur différence de température ou de leur état physique. La température $T$ d'un corps est une mesure de l'agitation thermique des particules qui le constituent : plus l'agitation thermique est importante, plus la température du corps est élevée. Elle s'exprime dans le $SI$ (système international) en Kelvin $(K).$
 
Autre unité : le degré Celsius $(^{\circ}C)$
 
La température absolue $(T)$ en kelvin $(K)$ est reliée à la température en degré Celsius $(^{\circ}C)$ par la relation : 
$$T(K)=\theta (^{\circ}C)+273$$

II. Modes de transfert d'énergie par chaleur

Il s'effectue toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jusqu'à atteindre l'équilibre thermique. Ce transfert peut se faire par :

1. Conduction thermique 

La tige métallique qui a une partie plongée dans le feu de la bougie va aussi chauffer son extrémité qui n'est plongé, il y a donc propagation d'énergie thermique par chaleur d'une zone à l'autre. Une partie de l'agitation thermique des constituants de la flamme est transmise aux particules de la tige métallique qui a leur tour transmettent de proche en proche dans le métal cette agitation. C'est le phénomène de condition de l'énergie thermique
 
 

2. La convection

Sous forme de courant ascendant et descendant au sein d'un liquide. Le courant chaud monte et le froid descend formant ainsi une cellule de convection. (Le liquide chaud étant moins dense que le liquide froid). 
 
Ce transport de matière constitue des courants de convections et l'énergie thermique s'est propager par convection
 
 

3. Le rayonnement

Les corps chauds, comme le soleil émettent des rayonnements électromagnétiques. Il se propage dans l'air et le vide et transporte de l'énergie
 
 

III. Quantité de chaleur

1. Notion de quantité de chaleur 

Lorsque deux corps à des températures différentes sont mis en contact, on constate que la température du corps chaud diminue, tandis que celle du corps froid augmente. L'énergie interne du corps chaud décroît, celle du corps froid croît. Il y a transfert d'énergie entre les deux corps : c'est le transfert thermique noté $Q$ en Joule $(J).$
 
 

Convention de signe

$Q>0$, le corps ou le système reçoit de l'énergie par chaleur
 
$Q<0$, le corps ou le système donne de l'énergie par chaleur
 
 
L'énergie interne ou énergie thermique du corps peut avoir deux principaux effets :
 
$\blacktriangleright\ $L'accroissement de la température de ce corps, sans changement d'état physique
 
$\blacktriangleright\ $Changement d'état physique de ce corps sans variation de température

2. Chaleur échangée sans changement d'état du système

Lorsqu'un corps voit sa température varié $\theta_{i}$ (température initiale) jusqu'à $\theta_{f}$, la quantité de chaleur transférée a pour expression :
Lorsque la température d'un corps de masse $m$ passe d'une valeur initiale $\theta_{i}$ à une valeur finale $\theta_{f}$, la quantité de chaleur $Q$ échangée avec le milieu extérieur est donnée par la relation : 
$$Q=mc\left(\theta_{f}-\theta_{i}\right)$$
 
$c$ : capacité thermique massique (ou chaleur massique) du corps en joules par kilogramme par kelvin $(J\cdot kg^{-1}K^{-1})$ ou joules par kilogramme par degré Celsus $(J\cdot kg^{-1}C^{\circ-1})$

1.1. La capacité thermique massique


 

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