Energie thermique et chaleur
Energie thermique et chaleur
Alors que l’ énergie thermique fait référence à l’énergie totale de toutes les molécules à l’intérieur 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.
Distinguer la température, la chaleur et l’énergie thermique
En utilisant la théorie cinétique, une distinction claire entre ces trois propriétés peut être faite.
- La température est liée aux énergies cinétiques des molécules d’un matériau. C’est l’énergie cinétique moyenne des molécules individuelles.
- L’énergie interne fait référence à l’énergie totale de toutes les molécules de l’objet. C’est donc une propriété étendue , donc lorsque deux lingots d’acier chauds à masse égale peuvent avoir la même température, mais que deux d’entre eux ont deux fois plus d’énergie interne que l’un d’entre eux.
- Enfin, la chaleur est la quantité d’énergie qui circule spontanément d’un corps à l’autre en raison de leur différence de température.
Il faut l’ajouter, lorsqu’il existe une différence de température , la chaleur circule spontanément du système le plus chaud vers le système le plus froid . Ainsi, si un cube d’acier de 5 kg à 100 ° C est mis en contact avec un cube d’acier de 500 kg à 20 ° C, la chaleur s’écoule du cube à 300 ° C vers le cube à 20 ° C alors que l’énergie interne du cube de 20 ° C est beaucoup plus grande car il en existe beaucoup plus.
Un concept particulièrement important est l’équilibre thermodynamique . En général, lorsque deux objets sont mis en contact thermique , la chaleur circule entre eux jusqu’à ce qu’ils s’équilibrent .
Énergie microscopique
Énergie thermique – Définition
L’énergie interne implique de l’énergie à l’ échelle microscopique . Elle peut être divisée en énergie potentielle microscopique, U pot , et énergie cinétique microscopique, U kin , composants:
U = U pot + U kin
où l’énergie cinétique microscopique, U kin , implique les mouvements de toutes les particules du système par rapport au cadre du centre de masse. Pour un gaz monatomique idéal , ce n’est que l’ énergie cinétique de translation du mouvement linéaire des atomes. Les particules monoatomiques ne tournent pas et ne vibrent pas. Le comportement du système est bien décrit par la théorie cinétique des gaz. La théorie cinétique est basée sur le fait que lors d’une collision élastique entre une molécule à haute énergie cinétique et une à faible énergie cinétique, une partie de l’énergie sera transférée à la molécule d’énergie cinétique inférieure. Cependant, pour les gaz polyatomiques il y a rotation etl’énergie cinétique vibrationnelle aussi.
L’énergie potentielle microscopique, U pot , implique les liaisons chimiques entre les atomes qui composent les molécules, les forces de liaison dans le noyau ainsi que les champs de force physiques au sein du système (par exemple les champs électriques ou magnétiques).
Dans les liquides et les solides, il existe une composante importante d’énergie potentielle associée aux forces d’attraction intermoléculaires .
Conductivité thermique
Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée conductivité thermique , k (ou λ), mesurée en W / mK . Il s’agit d’une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gaz), elle est donc également définie pour les liquides et les gaz.
La conductivité thermique de la plupart des liquides et solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:
La plupart des matériaux sont très homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T) . Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (k y , k z ), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, k x = k y = k z = k.
De l’équation précédente, il s’ensuit que le flux de chaleur de conduction augmente avec l’augmentation de la conductivité thermique et augmente avec l’augmentation de la différence de température. En général, la conductivité thermique d’un solide est supérieure à celle d’un liquide, qui est supérieure à celle d’un gaz. Cette tendance est due en grande partie aux différences d’ espacement intermoléculaire pour les deux états de la matière. En particulier, le diamant a la dureté et la conductivité thermique les plus élevées de tous les matériaux en vrac.
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