Chaleur - Équivalent mécanique de la chaleur

La chaleur est une forme de transfert d’énergie entre un système thermodynamique et son milieu extérieur (ou vice-versa) qui n’est pas associé à un mouvement ordonné (travail) ni à un échange de matière. La chaleur absorbée ou cédée par un système thermodynamique dépend en général du type de transformation thermodynamique qu’il a subi, et est normalement (mais pas toujours) associée à une différence de température entre le système et le milieu extérieur.

Lorsqu’un système échange de la chaleur avec son milieu extérieur, cette chaleur n’est pas stockée par le système. Un système stocke l’énergie sous forme d’énergie interne. La chaleur est par conséquent un transfert d’énergie interne entre un système et le milieu extérieur.

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L’unité de chaleur dans le Système International est le joule (J).

Lorsqu’un système échange (absorbe ou cède) de la chaleur avec le milieu extérieur, sa température change généralement (elle augmente ou elle diminue). La variation de température qu’il subit dépend de la quantité de matière du système, du son type de substance et de sa température initiale. La grandeur physique qui reflète cette relation s’appelle la capacité thermique massique (ou chaleur massique ou chaleur spécifique) c. Dans le Système International:

C’est l’énergie nécessaire pour élever d’1 degré la température d’une masse d’1 kg.

La capacité thermique massique est une grandeur intensive qui dépend en général de la température, bien qu’elle puisse être considérée constante pour beaucoup d’applications. Sa définition permet de déduire que ses unités dans le Système International sont (J/kg K).

Lorsque la quantité de la substance est mesurée en moles, la grandeur physique équivalente est la capacité thermique molaire.

L’équation qui permet de mettre en relation la variation de température d’un système avec sa masse et la chaleur échangée dans un processus est:

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L’équivalent mécanique de la chaleur

Depuis de la fin du XVIIIe siècle, de nombreux scientifiques essayèrent de comprendre quelle était la nature de la chaleur. Plusieurs théories et expériences furent proposées pour tenter d’expliquer son origine jusqu’à ce que James Prescott Joule proposa une expérience pour démontrer que la chaleur n’était qu’une forme d’énergie qui pouvait être obtenue à partir de l’énergie mécanique (travail).

Il démontra, grâce à son expérience, que l’on pouvait augmenter la température de l’eau en lui transférant de l’énergie mécanique (potentielle). L’énergie mécanique nécessaire pour augmenter la température de l’eau depuis 14.5ºC jusqu’à 15.5ºC était de 4,18 J par gramme. Ce qui est à l’origine de la définition de la calorie:

Une calorie est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau liquide de 14,5ºC à 15,5ºC.

Il est nécessaire de spécifier la température car la capacité thermique massique de l’eau dépend de celle-ci.

Par conséquent:

Qui est l’équivalent mécanique de la chaleur.

La valeur énergétique qui apparaît sur les étiquettes nutritionnelles des aliments est exprimée en kilocalories (kcal) bien que l’on parle communément de calories.

La conversion entre kilocalories et calories est la suivante:

Critère de signes: La chaleur absorbée par un système est positive. La chaleur cédée par un système à son milieu extérieur est négative.

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