L'énergie thermique
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• distinguer l'énergie thermique et la température ;
• décrire les effets d'un transfert d'énergie par chaleur : variation de température, changement d'état ;
• reconnaître les modes de propagation de la chaleur : conduction et convection ;
• expliquer le transfert d'énergie par rayonnement ;
• exprimer une quantité de chaleur, Q = m.c.Δθ, et une puissance thermique.
Prérequis : énergie cinétique, énergie potentielle, énergie mécanique ; mesure d'une température.
Situation de départ
En hiver, on se frotte les mains pour se réchauffer. Après un long freinage dans une descente, les jantes du vélo sont brûlantes. Et un glaçon posé sur la table fond, alors que personne ne le chauffe.
D'où vient cette « chaleur » ? Qu'est-ce qui passe d'un corps à l'autre, et pourquoi la température du glaçon qui fond ne change-t-elle pas ?
I. D'où vient la « chaleur » ?
Nous produisons de la chaleur de plusieurs façons :
• par effet Joule : un courant électrique échauffe un conducteur (fer à repasser, chauffe-eau, sèche-cheveux) ;
• par combustion : une réaction chimique (gaz butane, pétrole, bois) libère de l'énergie ;
• par frottement : quand un cycliste freine, son énergie mécanique diminue et les patins et la jante chauffent. Une capsule spatiale qui rentre dans l'atmosphère s'échauffe à mesure que son énergie cinétique et son énergie potentielle diminuent.
Le frottement peut convertir intégralement l'énergie mécanique d'un système en énergie thermique.
II. L'énergie à l'échelle microscopique
1. Agitation thermique et énergie interne
Toute matière est formée de particules (molécules, atomes, ions) en agitation permanente et désordonnée. Chaque particule a donc une énergie cinétique, et les particules qui interagissent ont une énergie potentielle d'interaction.
Ces énergies existent même si le corps paraît immobile : les mouvements se font dans toutes les directions et se compensent à notre échelle.
• L'énergie thermique Eth d'un corps est l'énergie cinétique microscopique Ecm due à l'agitation de ses particules.
• L'énergie interne U est la somme de l'énergie cinétique microscopique et de l'énergie potentielle microscopique : U = Ecm + Epm.
• L'énergie totale d'un système est E = EM + U ; pour un système énergétiquement isolé, elle se conserve : si EM diminue, U augmente d'autant.
2. Température et énergie thermique
La température θ indique le degré d'agitation des particules : quand elle augmente, les particules s'agitent plus vite. Elle se mesure en degrés Celsius (°C) ou en kelvins (K) ; au zéro absolu (-273 °C), l'agitation cesserait complètement.
Mais la température ne mesure pas l'énergie thermique : une baignoire d'eau tiède à 35 °C contient beaucoup plus d'énergie thermique qu'une étincelle à 1000 °C, car elle contient énormément plus de particules.
Ne confondez pas : la température caractérise un état ; l'énergie thermique est une énergie (en J) ; la chaleur est un mode de transfert d'énergie.
III. Le transfert d'énergie par chaleur
1. Du chaud vers le froid
Plaçons dans une bouteille thermos deux sachets étanches, l'un d'eau à 20 °C, l'autre d'eau à 60 °C. Quelques minutes plus tard, les deux sont à environ 35 °C : l'eau chaude s'est refroidie et l'eau froide s'est échauffée.
L'agitation des particules du corps chaud s'est communiquée, de proche en proche, aux particules du corps froid : de l'énergie a été transférée par chaleur.
La chaleur est un mode de transfert d'énergie microscopique. Entre deux corps en contact, ce transfert se fait spontanément du corps chaud vers le corps froid, et il cesse quand les températures sont égales : c'est l'équilibre thermique.
L'énergie transférée par chaleur, appelée « quantité de chaleur », se note Q et s'exprime en joules. On utilise aussi la calorie : 1 cal = 4,18 J ; 1 kcal = 1000 cal.
2. Les effets d'un transfert par chaleur
Un corps qui reçoit de l'énergie par chaleur peut :
• voir sa température s'élever, souvent avec une dilatation (son volume augmente) : l'agitation des particules augmente ;
• changer d'état sans changer de température, s'il s'agit d'un corps pur : la glace fond à 0 °C, l'eau bout à 100 °C (sous la pression atmosphérique normale). L'énergie reçue augmente alors l'énergie potentielle microscopique (les particules s'éloignent) ;
• faire les deux à la fois s'il n'est pas pur : la température de l'eau salée continue de monter pendant l'ébullition.
Un corps qui cède de l'énergie par chaleur se refroidit ou change d'état dans l'autre sens (solidification, liquéfaction).
On met 250 g d'eau à 18 °C au congélateur et on récupère de la glace à -15 °C. L'eau cède de l'énergie par chaleur au congélateur : de 18 °C à 0 °C sa température baisse, à 0 °C elle se solidifie à température constante, puis la glace se refroidit jusqu'à -15 °C.
IV. Mesurer une quantité de chaleur
1. Le calorimètre
Un calorimètre est un récipient qui empêche presque tout échange d'énergie avec l'extérieur : un vase intérieur métallique, séparé du vase extérieur par de l'air ou du vide, fermé par un couvercle isolant. On y plonge un résistor chauffant parcouru par un courant : l'énergie électrique qu'il reçoit (W = U.I.Δt) est transférée par chaleur au liquide.
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