Chaleur en thermodynamique
Alors que l’énergie interne fait référence à l’énergie totale de toutes les molécules de l’objet, la chaleur est la quantité d’énergie qui circule spontanément d’un corps à un autre en raison de leur différence de température. La chaleur est une forme d’énergie, mais c’est une énergie en transit . La chaleur n’est pas la propriété d’un système. Cependant, le transfert d’énergie sous forme de chaleur se produit au niveau moléculaire à la suite d’une différence de température .
Considérons un bloc de métal à haute température, constitué d’atomes oscillant intensément autour de leurs positions moyennes. À basse température , les atomes continuent à osciller, mais avec moins d’intensité . Si un bloc de métal plus chaud est mis en contact avec un bloc plus froid, les atomes qui oscillent intensément au bord du bloc plus chaud dégagent son énergie cinétique aux atomes les moins oscillants situés au bord du bloc froid. Dans ce cas, il y a transfert d’énergie entre ces deux blocs et la chaleur circule du bloc le plus chaud au bloc le plus froid par ces vibrations aléatoires.
En général, lorsque deux objets sont mis en contact thermique , de la chaleur circule entre eux jusqu’à ce qu’ils s’équilibrent . Lorsqu’il existe une différence de température , la chaleur circule spontanément du système le plus chaud vers le système le plus froid . Le transfert de chaleur se fait par conduction ou par rayonnement thermique . Lorsque le flux de chaleur cesse , on dit qu’ils sont à la même température . On dit alors qu’ils sont en équilibre thermique .
Comme pour le travail, la quantité de chaleur transférée dépend du chemin et non pas simplement des conditions initiales et finales du système. Il existe en fait de nombreuses manières de prendre le gaz de l’état i à l’état f.
En outre, comme pour le travail, il est important de faire la distinction entre la chaleur ajoutée à un système provenant de son environnement et la chaleur évacuée d’un système vers son environnement. Q est positif pour la chaleur ajoutée au système. Par conséquent, si la chaleur quitte le système, Q est négatif. Étant donné que W dans l’équation correspond au travail effectué par le système, si ce travail est effectué sur le système, W sera négatif et E int augmentera.
Le symbole q est parfois utilisé pour indiquer la chaleur ajoutée ou retirée d’un système par unité de masse . Il est égal à la chaleur totale (Q) ajoutée ou éliminée divisée par la masse (m).
Capacité thermique
Différentes substances sont affectées à différentes magnitudes par l’ ajout de chaleur . Lorsqu’une quantité donnée de chaleur est ajoutée à différentes substances, leurs températures augmentent de manière différente. Cette constante de proportionnalité entre la chaleur Q absorbée ou perdue par l’objet et le changement de température T résultant de l’objet est appelée capacité calorifique C d’un objet.
C = Q / ΔT
La capacité calorifique est une propriété étendue de la matière, ce qui signifie qu’elle est proportionnelle à la taille du système. La capacité calorifique C a l’unité d’énergie par degré ou d’énergie par kelvin. Lorsqu’elle exprime le même phénomène qu’une propriété intensive , la capacité thermique est divisée par la quantité de substance, de masse ou de volume, donc la quantité est indépendante de la taille ou de l’étendue de l’échantillon.
La capacité thermique spécifique
La capacité thermique d’une substance par unité de masse est appelée capacité thermique spécifique (c p ) de la substance. L’indice p indique que la capacité thermique et la capacité thermique spécifique s’appliquent lorsque la chaleur est ajoutée ou retirée à pression constante .
c p = Q / mΔT
La capacité thermique spécifique
Dans le modèle de gaz parfait , les propriétés intensives c v et c p sont définies pour les substances compressibles pures et simples comme des dérivées partielles de l’ énergie interne u (T, v) et de l’ enthalpie h (T, p) , respectivement:
où les indices v et p désignent les variables maintenues fixes pendant la différenciation. Les propriétés c v et c p sont appelées chaleurs spécifiques (ou capacités calorifiques ) car dans certaines conditions particulières, elles relient le changement de température d’un système à la quantité d’énergie ajoutée par transfert de chaleur. Les unités SI sont J / kg K ou J / mole K . Deux chaleurs spécifiques sont définies pour les gaz, une pour un volume constant (c v ) et une pour une pression constante (c p ) .
Selon la première loi de la thermodynamique , pour un procédé à volume constant avec un gaz parfait monatomique, la chaleur spécifique molaire sera:
C v = 3 / 2R = 12,5 J / mol K
car
U = 3 / 2nRT
On peut déduire que la chaleur spécifique molaire à pression constante est:
C p = C v + R = 5 / 2R = 20,8 J / mol K
Ce C p est supérieur à la chaleur spécifique molaire à volume constant C v , car il faut désormais fournir de l’énergie non seulement pour élever la température du gaz mais aussi pour que le gaz fonctionne car dans ce cas le volume change.
La chaleur latente de vaporisation
En général, lorsqu’un matériau change de phase du solide au liquide, ou du liquide au gaz, une certaine quantité d’énergie est impliquée dans ce changement de phase. En cas de changement de phase liquide en gaz, cette quantité d’énergie est connue sous le nom d’ enthalpie de vaporisation , (symbole ∆H vap ; unité: J) également connue sous le nom de chaleur (latente) de vaporisation ou chaleur d’évaporation. La chaleur latente est la quantité de chaleur ajoutée ou retirée d’une substance pour produire un changement de phase. Cette énergie décompose les forces d’attraction intermoléculaires, et doit également fournir l’énergie nécessaire à l’expansion du gaz (le travail pΔV). Lorsque de la chaleur latente est ajoutée, aucun changement de température ne se produit. L’enthalpie de vaporisation est fonction de la pression à laquelle cette transformation a lieu.
Chaleur latente de vaporisation – eau à 0,1 MPa (pression atmosphérique)
h lg = 2257 kJ / kg
Chaleur latente de vaporisation – eau à 3 MPa (pression à l’intérieur d’un générateur de vapeur)
h lg = 1795 kJ / kg
Chaleur latente de vaporisation – eau à 16 MPa (pression à l’intérieur d’un pressuriseur )
h lg = 931 kJ / kg
La chaleur de vaporisation diminue avec l’augmentation de la pression, tandis que le point d’ébullition augmente. Elle disparaît complètement à un certain point appelé le point critique . Au-dessus du point critique, les phases liquide et vapeur sont indiscernables et la substance est appelée fluide supercritique .
La chaleur de vaporisation est la chaleur nécessaire pour vaporiser complètement une unité de liquide saturé (ou condenser une unité de masse de vapeur saturée) et elle est égale à h lg = h g – h l .
La chaleur nécessaire pour faire fondre (ou geler) une masse unitaire à la substance à pression constante est la chaleur de fusion et est égale à h sl = h l – h s , où h s est l’enthalpie du solide saturé et h l est l’enthalpie du liquide saturé.
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