Capacité thermique massique, énergie thermique et chaleur latente : calcul en ligne, définitions, formules, les différents changements d’état et les modes de transfert thermique
Calcul de l’énergie thermique
Définition
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).
Sens du transfert thermique
Lorsque deux système à des températures différentes sont directement en contact ou relié par un conducteur thermique, le transfert thermique s’effectue spontanément du système dont la température est la plus élevée vers le système dont la température est la plus basse.
Un système peut échanger de l’énergie avec l’extérieur par transfert thermique. L’énergie transférée est la chaleur échangée par le système avec l’extérieur. C’est une grandeur algébrique. Elle est notée Q est exprimée en joule.
- Si le transfert thermique s’effectue de l’extérieur vers le système, la température du système est inférieure à celle de l’extérieur alors le système reçoit de l’énergie par transfert thermique alors Q > 0 et ΔU > 0.
- Si le transfert thermique s’effectue du système vers l’extérieur, la température du système est supérieure à celle de l’extérieur alors le système cède de l’énergie par transfert thermique alors Q < 0 et ΔU < 0.
- Lorsque l’extérieur et le système sont à l’équilibre thermique, leurs températures sont égales : Q = 0
Modes de transfert thermique
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 :
- Conduction : la conduction est un mode de transfert thermique qui s’effectue sans transport de matière
- Convection : déplacement sous forme de courant (air chaud : il s’élève au-dessus de la source chaude). La convection est un mode de transfert qui s’effectue avec transport de matière.
- Rayonnement : exemple : les ondes électromagnétiques émises par le soleil chauffent la Terre. Ce transfert d’énergie s’appelle rayonnement.
Effet de transfert thermique
Lorsqu’on chauffe une quantité de l’eau à température ambiante (état liquide), sa température augmente puis lorsqu’on atteint 100°C, il y a changement d’état. Alors le transfert thermique peut augmentation de la température de l’eau ou changer son état physique.
Transfert par chaleur produisant une élévation de température.
Energie thermique – quantité de chaleur
Au cours du transfert thermique l’expression de la variation de l’énergie interne d’un système sans changement d’état est donne par la relation :
ΔU= Q = m. C.(θf – θi)
Avec :
- Q : Energie thermique en J (Joule) ;
- m : Masse en kg ;
- C : Capacité thermique massique en J.kg-1.°C-1 ;
- θf et θi : Températures finale et initiale en degré Celsius (°C)
La capacité thermique massique
La capacité thermique massique (chaleur massique) C : c’est la quantité chaleur nécessaire pour faire varier de 1 ° C ou 1°K , une unité de masse de 1 kg d’un liquide, d’un gaz ou d’un solide ;« Plus C est petit, plus il chauffera vite. » C s’exprime en J.kg-1.°C-1 (ou J.kg-1.K-1).
Quelques valeurs de la capacité thermique massique :
| Substance | Capacité thermique massique (J.kg-1.K-1) |
| Eau (glace) | 2100 |
| Aluminium | 890 |
| Cuivre | 380 |
| Fer | 460 |
| Mercure | 140 |
| Eau liquide | 4185 |
| Alcool | 2390 |
| Hydrogène | 14170 |
| Oxygène | 910 |
Transfert d’énergie produisant un changement d’état.
Les différents changements d’état
Un changement d’état physique correspond au passage d’un état physique à un autre état physique. Il se fait à température constante.
L’énergie thermique de changement d’état – chaleur latente
L’énergie thermique de changement d’état (ou chaleur latente), notée L, est l’énergie qu’il faut fournir à 1 kg d’un corps pur (liquide, solide ou gaz), à sa température de changement d’état, pour qu’il change d’état.
Exemple :
- Chaleur latente de fusion de l’eau glace : Lfus = 334.103 J∙kg-1
- Chaleur latente de vaporisation de l’eau liquide : Lvap = 2,26.106 J∙kg-1
Lors de son changement d’état, la masse m d’un corps pur échange avec l’extérieur l’énergie :
Q=m.L
- Q : énergie échangée en joule (J)
- m : masse du corps en kilogramme (kg)
- L : chaleur latente de changement d’état en joule par kilogramme (J∙kg-1)
Pour observer un changement d’état vers une phase moins ordonnée (fusion, vaporisation), le système doit gagner de l’énergie, Q est positive, donc L aussi. La transformation est dite endothermique.
Pour observer un changement d’état vers une phase plus ordonnée (solidification, condensation), le système doit perdre de l’énergie, Q est négative, donc L aussi. La transformation est dite exothermique.
Remarque :
Lsol= -Lfus ; Lcond =- Lsub ; Lliq =-Lvap
Quelques valeurs de la chaleur latente massique de changement d’état :
| Changement d’état | Température à laquelle a lieu le changement d’état sous la pression de 1 atm. | L (J.kg-1) |
| Fusion de la glace | 0°C | 333.103 |
| Fusion du plomb | 327°C | 24.103 |
| Fusion de l’argent | 2212°C | 105.103 |
| Vaporisation de l’eau | 100°C | 2260.103 |
| Vaporisation de l’alcool | 78°C | 906.103 |
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