En physique, le concept de "chaleur" est associé au transfert d'énergie thermique entre différents corps. En raison de ces processus, il se produit un échauffement et un refroidissement des corps, ainsi qu'un changement dans leurs états d'agrégation. Examinons plus en détail la question de savoir ce qu'est la chaleur.
Concept concept
Qu'est-ce que la chaleur ? Chacun peut répondre à cette question d'un point de vue quotidien, c'est-à-dire sous le concept considéré les sensations qu'il éprouve lorsque la température ambiante s'élève. En physique, ce phénomène est compris comme le processus de transfert d'énergie associé à une modification de l'intensité du mouvement chaotique des molécules et des atomes qui forment le corps.
En général, on peut dire que plus la température corporelle est élevée, plus l'énergie interne y est stockée et plus elle peut transmettre de chaleur aux autres objets.
Chaleur et température
Connaissant la réponse à la question de savoir ce qu'est la chaleur, beaucoup peuvent penser que ce concept est similaire au concept de "température", mais ce n'est pas le cas. La chaleur est de l'énergie cinétique, la température en est une mesureénergie. Ainsi, le processus de transfert de chaleur dépend de la masse de la substance, du nombre de particules qui la composent, ainsi que du type de ces particules et de la vitesse moyenne de leur mouvement. À son tour, la température ne dépend que du dernier des paramètres répertoriés.
La différence entre la chaleur et la température est facile à comprendre si vous menez une expérience simple: vous devez verser de l'eau dans deux récipients de sorte qu'un récipient soit plein et l'autre à moitié rempli. En mettant les deux récipients sur le feu, on peut observer que celui dans lequel il y a le moins d'eau commence à bouillir le premier. Pour que le deuxième récipient bouille, il aura besoin d'un peu plus de chaleur du feu. Lorsque les deux récipients sont en ébullition, vous pouvez mesurer leur température, ce sera la même (100 oC), mais il a fallu plus de chaleur pour qu'un récipient plein fasse bouillir de l'eau dedans.
Unités de chauffage
Selon la définition de la chaleur en physique, on peut deviner qu'elle se mesure dans les mêmes unités que l'énergie ou le travail, c'est-à-dire en joules (J). En plus de l'unité principale de chaleur, dans la vie de tous les jours, on entend souvent parler de calories (kcal). Ce concept est compris comme la quantité de chaleur qui doit être transférée à un gramme d'eau pour que sa température augmente de 1 kelvin (K). Une calorie équivaut à 4,184 J. Vous pouvez également entendre parler de grandes et de petites calories, qui sont respectivement de 1 kcal et 1 cal.
Le concept de capacité calorifique
Sachant ce qu'est la chaleur, considérons une grandeur physique qui la caractérise directement - la capacité thermique. Sous cette notion,la physique signifie la quantité de chaleur qui doit être donnée ou retirée à un corps pour que sa température change de 1 kelvin (K).
La capacité calorifique d'un corps particulier dépend de 2 facteurs principaux:
- sur la composition chimique et l'état d'agrégation dans lequel le corps est présenté;
- de sa masse.
Pour rendre cette caractéristique indépendante de la masse d'un objet, une autre grandeur a été introduite dans la physique de la chaleur - la capacité thermique spécifique, qui détermine la quantité de chaleur transférée ou absorbée par un corps donné pour 1 kg de sa masse lorsque la température change de 1 K.
Pour montrer clairement la différence de capacités thermiques spécifiques pour différentes substances, par exemple, prenez 1 g d'eau, 1 g de fer et 1 g d'huile de tournesol et chauffez-les. La température changera le plus rapidement pour l'échantillon de fer, puis pour la goutte d'huile et enfin pour l'eau.
Notez que la capacité calorifique spécifique dépend non seulement de la composition chimique de la substance, mais aussi de son état d'agrégation, ainsi que des conditions physiques externes dans lesquelles elle est considérée (pression constante ou volume constant).
L'équation principale du processus de transfert de chaleur
Après avoir traité la question de ce qu'est la chaleur, il convient de donner la principale expression mathématique qui caractérise le processus de son transfert pour absolument tous les corps dans n'importe quel état d'agrégation. Cette expression a la forme: Q=cmΔT, où Q est la quantité de chaleur transférée (reçue), c est la chaleur spécifique de l'objet en question, m -sa masse, ΔT est la variation de température absolue, qui est définie comme la différence de température corporelle à la fin et au début du processus de transfert de chaleur.
Il est important de comprendre que la formule ci-dessus sera toujours valable lorsque, au cours du processus considéré, l'objet conserve son état d'agrégation, c'est-à-dire qu'il reste liquide, solide ou gazeux. Sinon, l'équation ne peut pas être utilisée.
Changement de l'état d'agrégation de la matière
Comme vous le savez, il existe 3 principaux états agrégés dans lesquels la matière peut être:
- gaz;
- liquide;
- corps solide.
Pour qu'une transition d'un état à un autre se produise, il est nécessaire que le corps l'informe ou lui enlève de la chaleur. Pour de tels processus en physique, les concepts de chaleurs spécifiques de fusion (cristallisation) et d'ébullition (condensation) ont été introduits. Toutes ces quantités déterminent la quantité de chaleur nécessaire pour modifier l'état d'agrégation, qui libère ou absorbe 1 kg de poids corporel. Pour ces processus, l'équation est valide: Q=Lm, où L est la chaleur spécifique de la transition correspondante entre les états de la matière.
Vous trouverez ci-dessous les principales caractéristiques des processus de modification de l'état d'agrégation:
- Ces processus se déroulent à température constante, comme l'ébullition ou la fonte.
- Ils sont réversibles. Par exemple, la quantité de chaleur qu'un corps donné a absorbée pour fondre sera exactement égale à la quantité de chaleur qui sera relâchée dans l'environnement si ce corps repasseà un état solide.
Équilibre thermique
C'est une autre question importante liée au concept de "chaleur" qui doit être prise en compte. Si deux corps avec des températures différentes sont mis en contact, après un certain temps, la température dans tout le système s'égalisera et deviendra la même. Pour atteindre l'équilibre thermique, un corps avec une température plus élevée doit émettre de la chaleur vers le système, et un corps avec une température plus basse doit accepter cette chaleur. Les lois de la physique de la chaleur qui décrivent ce processus peuvent être exprimées comme une combinaison de l'équation principale de transfert de chaleur et de l'équation qui détermine le changement de l'état global de la matière (le cas échéant).
Un exemple frappant du processus d'établissement spontané de l'équilibre thermique est une barre de fer chauffée au rouge qui est jetée dans l'eau. Dans ce cas, le fer chaud dégagera de la chaleur vers l'eau jusqu'à ce que sa température devienne égale à la température du liquide.
Méthodes de base de transfert de chaleur
Tous les processus connus de l'homme qui accompagnent l'échange d'énergie thermique se produisent de trois manières différentes:
- Conduction thermique. Pour que l'échange de chaleur se produise de cette manière, un contact entre deux corps à des températures différentes est nécessaire. Dans la zone de contact au niveau moléculaire local, l'énergie cinétique est transférée d'un corps chaud à un corps froid. Le taux de ce transfert de chaleur dépend de la capacité des corps impliqués à conduire la chaleur. Un exemple frappant de conductivité thermique esthumain touchant une tige de métal.
- Convection. Ce processus nécessite le mouvement de la matière, il n'est donc observé que dans les liquides et les gaz. L'essence de la convection est la suivante: lorsque des couches de gaz ou de liquide sont chauffées, leur densité diminue, elles ont donc tendance à monter. Lors de leur montée en volume de liquide ou de gaz, ils transfèrent de la chaleur. Un exemple de convection est le processus de faire bouillir de l'eau dans une bouilloire.
- Radiation. Ce processus de transfert de chaleur se produit en raison de l'émission de rayonnement électromagnétique de différentes fréquences par un corps chauffé. La lumière du soleil est un excellent exemple de rayonnement.
