NOTION DE QUANTITE DE CHALEUR.
NOTION D’ENERGIE.
Définition.
L’énergie
est une grandeur physique qui représente la capacité d’un corps ou d’un système
à :
-
Déformer
ou déplacer un corps.
-
Élever
la température ou changer l’état physique d’un corps.
L’unité de l’énergie dans le SI est le joule
(j), il existe d’autres unités tel que le wattheure (Wh) et 1Wh = 3600j.
Les
différentes formes d’énergie.
L’énergie existe sous plusieurs formes qui
peuvent se transformer d’une à l’autre, les principales formes sont :
L’énergie électrique, mécanique (énergie potentielle de pesanteur, énergie
élastique, énergie cinétique), chimique, nucléaire, calorifique…
L’énergie calorifique se manifeste sous forme
de chaleur.
NOTION DE CHALEUR.
Effets des
échanges de chaleur.
Le transfert de chaleur
peut avoir pour effet :
-
De
faire varier la température d’un corps ou système.
-
De
provoquer un changement d’état physique.
-
De
favoriser une réaction chimique.
Modes de
transfert de chaleur.
Les
échanges de chaleurs peuvent se faire soit par :
-
La conduction : C’et la
propagation de la chaleur d’un point à un autre, (bâton en fer chauffé, la
chaleur se propage tout au long de celui-ci),
-
La
convection : C’est le mouvement pris par un fluide dû aux différentes
températures ente les différentes parties du fluide (une eau chauffée, la
partie inférieure chauffée monte donnant place à celle supérieure),
-
Le
rayonnement (une eau dans un verre et placé au soleil s’échauffe grâce au
rayonnement du soleil).
Mesure des quantités de chaleur
Pour mesurer les quantités de chaleur, généralement on utilise des
appareils appelés calorimètres. Ceux-ci sont des récipients fermés dont
les parois sont constituées d’isolent thermique. Ces parois ne
permettent pas d’échanges de chaleur avec l’extérieur : Les calorimètres
sont donc considérés comme des enceintes adiabatiques.
Les
calorimètres généralement utilisés en laboratoire sont le calorimètre de
Berthelot et le calorimètre de Dewar.
Principe des échanges de chaleur.
Lorsque plusieurs corps
sont dans une enceinte adiabatique, la somme algébrique des quantités de
chaleur échangées pour atteindre l’équilibre thermique est nulle :
∑Q = 0
Expression de la quantité de chaleur échangée par
un corps ne subissant pas de changement d’état.
L’expérience montre qu’au cours de
l’échauffement d’un corps, la quantité de chaleur Q reçue par celui-ci est
proportionnelle à sa masse et à la variation de sa température. Ainsi, m
représentant la masse de ce corps, et Δθ la
variation de température subit par le corps, nous aurons
.
C est une constante qui
dépend de la nature du corps et est appelée chaleur massique de la
substance constituant le corps.
Exemple : CH2O=4190j/kg/K
représente la
variation de température en kelvin(K)
M est la masse du corps en kilogramme (kg)
Q est la quantité de chaleur en joules(J)
Relation
entre le degré Celsius et le degré kelvin
Remarques :
-
Il
existe une autre unité pour la quantité de chaleur : La calorie (cal) et 1cal = 4,18j.
Dans l’expression Q = mC(θf – θi), le produit mC généralement noté K est appelé capacité
thermique ou capacité calorifique du corps considéré d’où
Capacité
thermique d’un calorimètre.
Généralement, le
calorimètre participe aux échanges thermiques. Il faut donc prendre en compte
la valeur de sa capacité thermique C ou K.
Expression de
la quantité de chaleur échangée par un corps qui subit un changement d’état.
La matière se présente
sous trois états physiques à savoir, l’état solide, liquide et gazeux. Très
souvent, pour passer d’un état à un autre, la matière peut :
-
Soit
céder de la chaleur au milieu extérieur,
-
Soit
en recevoir.
On appelle chaleur latente de fusion
d’un corps pur généralement noté Lf, la quantité de chaleur à fournir à l’unité de
masse de ce corps pris à sa température de fusion pour l’emmener entièrement à
l’état liquide. Cette transformation s’effectue à température constante.
Dans le SI, la chaleur latente s’exprime en
j/kg. Dans le cas où l’on veut faire fondre une masse m d’un corps pris à
sa température de fusion, la quantité de chaleur nécessaire pour la fusion
totale de ce corps est donnée par la relation
,
Q en joules(J)
m en
kilogramme (kg).
Lf en
joules par kilogramme(Jkg-1)
On appelle chaleur latente de vaporisation d’un corps pur notée Lv, la quantité de chaleur qu’il
faut fournir à
l’unité de masse de ce corps pur pris à
la température de vaporisation pour l’emmener
entièrement à l’état vapeur. Pendant ce changement la température reste
constante. La chaleur latente de vaporisation s’exprime en j/kg. Ainsi, pour
vaporiser entièrement un liquide de masse m
pris à sa température de vaporisation, la quantité de chaleur nécessaire donnée
par la relation
Q en joules(J)
m en kilogramme (kg).
Lv en joules par kilogramme(Jkg-1)
EXERCICES
EXERCICE I :
Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour porter une
masse d’eau de 300g, initialement à 25°C à une température finale de 35°C.
On donne la chaleur massique de l’eau : 4190 J.kg-1.K-1.
EXERCICE II :
On mélange dans une enceinte adiabatique 5L
d’eau à
EXERCICE III :
Un calorimètre contient une masse d’eau 200g à la
température 18°C. On y ajoute une certaine quantité d’eau tiède de masse 100g
et de température 25°C. A l’équilibre thermique, la température du mélange est
20,3°C.
1-Quelle est l’expression de la quantité de chaleur reçue
par le système qui s’échauffe ?
2-Quelle est l’expression de la quantité de chaleur perdue
par le système qui se refroidit ?
3-En déduire la capacité calorifique du calorimètre.
EXERCICE IV :
1. Déterminer la quantité de chaleur nécessaire
pour faire fondre une masse de 30 g de glace pris à 0°C.
On donne
Lf = 335j/kg.
2. On désire chauffer une masse d’eau de 300g,
initialement à 25°C, jusqu’à la vaporisation. L’eau passe de l’état solide à
l’état vapeur à 100°C sous la pression atmosphérique. Calculer la quantité de
chaleur reçue par cette masse d’eau sachant que la chaleur latente de
vaporisation de l’eau est de 2,25.106 J.kg-1.
3.Quelle quantité de chaleur faut-il fournir à un
morceau de plomb de masse m=200g, pris à la température θ1=25°C, pour le porter à la
température θ2=375°C.
On donne :
-température de fusion du plomb : θf=327°C ;
-chaleur latente de fusion du plomb : Lf=26,3.
J.kg-1.
-chaleur massique du plomb à l’état solide :cs=129J.kg-1.°C-1.
--chaleur massique du plomb à
l’état liquide : cL=142J.kg-1.°C-1.
CORRIGES:
EXERCICE
I :
Q = mCΔθ = mC(θf – θi)=0,3x4190(35-25)=12570J.
NB : Une
calorie (cal) correspond à 4,186 joules(J) => Q=
=3000 cal.
EXERCICE
II :
Système qui se réchauffe : V1=5
l, θ1=25°C
Système qui se refroidit : V2=7 l, θ2=60°C
Équilibre : θf
= m1c(θf -25)=5x4190(θf-25)
= m2c(θf-60) =7x4190(θf – 60)
A l’équilibre,
ó5x4190(θf-25)
+ 7x4190(θf – 60)=0
<=>5(θf-25) + 7(θf
– 60)=0 =>12 θf=545 => θf=45,4°C
EXERCICE
III :
Système qui se réchauffe : m1=200
g, θ1=18°C
Système qui se refroidit : m2=100g,
θ2=25°C
Équilibre : θf=20,3C
1. = (m1c+ K)Δθ =( mC+K)(θf – θ1)
2.
= m2cΔθ =m2c(θf – θ2)
3.A l’équilibre,
( m1c+K)(θf – θ1) + m2c(θf – θ2)=0
=> K=
- m1c =
– 0,2.4190=18,2 JC-1
EXERCICE
IV :
1. On sait que Q = mLf = 30x10-3x335=100,5 J
2. Il faut de la chaleur pour élever
la température de 25 à 100°C plus de la chaleur pour le passage de l’état
liquide à l’état vapeur.
Q=mc (θf
– θ1) +mLv =
0,3.4190(100-25) + 0,3.2,25.106=778702,5J.
3. Q=mcs(θf – θ1) +mLf +mcL
(θ2 – θf)
= 0,2x129 x(327 – 25) +0,2x26,3.
+0,2x142 (375 – 327f)=1,44.
J.