2.1 - GÉNÉRALITÉS.

2.1.1 - Différence entre température et chaleur.

• analogie électrique : potentiel V <-----> courant I.
• la chaleur est une des formes de l'énergie.
• la température une variable d'état d'un système.
• c'est la différence de température entre deux points d'un système, dans l'espace, qui est responsable du déplacement de la chaleur.

2.1.2 - Rappels.

• la chaleur se déplace des températures les plus élevées vers les températures les plus basses.
• quel est l'effet, sur un système à une température donnée, d'un apport (ou d'un retrait) de chaleur ?
  • chaleur fournie -----> variation de température du corps (chaleur sensible) ou changement d'état (chaleur latente).
  • pour un corps pur, ces deux effets ne sont pas simultanés.
• on se préoccupera ici seulement de la mesure de quantités de chaleur échangées entre deux systèmes (l'un des systèmes fournit à l'autre). On verra en thermo cinétique comment s'effectue ce transfert.

2.1.3 - Définitions.

• système ------> ensemble des corps "regroupés", caractérisés par une même valeur de T et pouvant échanger de la chaleur avec un autre système.
• échanges ------> on définira la quantité échangée car le sens des échanges est déjà connu.
• équilibre thermique ------> un ensemble de 2 systèmes est en équilibre thermique lorsque ces 2 systèmes sont à la même température, c'est-à-dire n'échangent plus de chaleur.

2.1.4 - Unités.

• températures ------> q ( ºC) ou T ( K).
• chaleur ------> Q ,W ; le joule ( J ) ou la calorie (cal) (1 cal. = 4,18 J) ; la thermie (10⁶cal).

 

2.2 - CHALEUR MASSIQUE - CHALEUR LATENTE.

2.2.1 - Chaleur massique.

2.2.1.1 - Définition.

• Corps de masse m, qui élève sa température de q₁ à q₂ ; la quantité de chaleur nécessaire est :

 

 

Q = m c (q1- q2) chaleur sensible

 

• Q chaleur en J ; m masse en kg ; c, chaleur massique  , en J kg^-1(ºC)^-1; q₁ et q₂ températures en °C.
• c peut dépendre de la température (on considérera alors sa valeur moyenne entre q₁ et q₂ ).
• mc = C , capacité calorifique du corps (en J (ºC)^-1), est la quantité de chaleur nécessaire pour élever sa température de 1ºC.

2.2.1.2 - Les gaz.

• on considère plutôt la chaleur molaire (capacité calorifique d'une mole de gaz ou capacité thermique molaire).
• on définit : Cp à pression constante et Cv à volume constant.
• on a toujours la relation de MAYER  :

 

R = Cp - Cv

R constante molaire des GP = 8,32 Jmol-1K-1

 

• pour les gaz parfaits (GP) :
  • monoatomiques : g = C_p / C_v = 5 / 3 (Cp = 5 cal mol¹ K^-1; Cv = 3 cal mol^-1K^-1)
  • diatomiques : g = C_p / C_v = 7 / 5 (Cp = 7 cal mol^-1 K^-1 ; Cv = 5 cal mol^-1 K^-1 )
  • polyatomiques : g = C_p / C_v = 8 / 6 (Cp = 8 cal mol^-1 K^-1 ; Cv = 6 cal mol^-1 K^-1)
• pour les gaz réels, les valeurs de C_p et C_v indiquées ci dessus varient légèrement, ainsi :
  • monoatomiques (Ar, He), valeurs très voisines de celles des gaz parfaits.
  • diatomiques (H₂, N₂, O₂), valeurs légèrement supérieurs à celles des gaz parfaits et variant peu avec la température.
  • polyatomiques ( CO₂ , H₂O, CH₄), valeurs supérieures variant de plus avec la température.

 

		Atomicité	Cp (J / mol.K)	Cv (J / mol.K)
Gaz	He	1	20,77	12,46
	N2	2	20,09	20,69
	O2	2	29,33	21,02
	CO2	3	37,09	28,42
	CH4	5	35,68	27,17

 

2.2.1.3 - Les solides.

• Loi approchée (Loi de DULONG et PETIT) :

 

Mc # cste = 6,4 (cal (ºC)-1

Mc capacité thermique molaire

 

• c dépend de l'arrangement des atomes ; elle varie s'il y a changement de structure du matériau.

 

Métal	c (J / kg.K)
Al	900,0
Cu	386,4
Pb	127,7
Ag	236,1

 

2.2.1.4 - Les liquides.

• Mc = cste est aussi une assez bonne approximation pour les liquides ).
• pour l'eau : c = 1 cal g^-1 K^-1 (= 4 180 J kg^-1 K^-1).
• de façon générale : 0,5 cal g^-1 K^-1 < c < 1,0 cal g^-1 K^-1.

2.2.2 - Chaleur latente L (L_v ou L_f ).

• C'est la chaleur qu'il faut fournir à la masse unité du corps étudié( (ou qu'elle cède) pour changer d'état (à température constante).
• Pour un corps de masse m :

 

Q = m L chaleur latente

 

• REMARQUES :
  • pour les corps purs, les changements d'état s'effectuent à température fixe, à une pression donnée.
  • les changements de phase correspondent à des changements d'organisation des atomes ou molécules.
  • les changements de phase s'accompagnent d'un changement de volume massique :
    • V = 1/r (V volume massique et r masse volumique)
    • généralement, lors de la fusion, V augmente. Pour l'eau, à la fusion, V diminue (application au calorimètre de BUNSEN ).
  • pour l'eau : L_f = 80 cal g^-1, L_v = 535 cal g^-1 (sous 1 atm).

 

2.3 - LA MESURE DES QUANTITÉS DE CHALEUR.

La mesure sera toujours supposée faite dans un calorimètre adiabatique, c'est à dire sans échange de chaleur entre l'intérieur et l'extérieur.

2.3.1 - Principes.

2.3.1.1 - Égalité des échanges de chaleur.

Si l'on place dans une enceinte deux corps A et B de températures différentes, ils évoluent vers un équilibre thermique et la quantité de chaleur reçue par l'un est égale à la quantité de chaleur cédée par l'autre.

2.3.1.2 - Transformations inverses.

La quantité de chaleur fournie à un système lors d'une transformation est égale à celle qu'il restitue lors de la transformation inverse.

2.3.2 - Généralités.

• ne pas oublier que la quantité de chaleur aura servi :
  • soit à élever la température d'un corps (chaleur "sensible").
  • soit à changer l'état de ce corps (chaleur "latente").
• dans tous les cas, il faut déterminer :
  • les températures initiale et finale.
  • les masses des corps concernés.
• pour les corps purs, la priorité de l'utilisation de la chaleur est :
  • d'abord le changement d'état (à tº et pression données).
  • ensuite la variation de température d'une phase unique.

2.3.3 - Les méthodes.

2.3.3.1 - Méthode des mélanges.

 

Q = m c (q2 - q1)

 

• Q peut elle même être due à la variation de température d'un autre corps (mo, Co, q_o). Dans l'état final, l'ensemble (M + m) est en équilibre thermique à la température q_f.
• On notera que si les corps en présence sont placés dans un calorimètre, celui-ci verra aussi sa température varier. D'où la nécessaire prise en compte de sa capacité calorifique appelée aussi valeur en eau ou équivalent en eau et généralement exprimée en gramme.

2.3.3.2 - Méthode des changements d'état.

 

Q = m L

 

• La quantité de chaleur à mesurer fait changer l'état d'une masse donnée m d'un corps .

• Lorsque l'on utilise le changement d'état de l'eau (fusion), celui-ci s'accompagne d'une variation du volume massique V :

  DV = m (V_glace - V_liquide)

• Si l'on veut donc comparer deux quantités de chaleur Q₁ et Q₂, il suffira de déterminer : DV₁/ DV₂ = Q₁ / Q₂

2.3.3.3 - Méthode de circulation.

2.3.4 - Les calorimètres.

2.3.4.1 - Le calorimètre de BERTHELOT.

2.3.4.2 - Le calorimètre de BUNSEN.

2.3.4.3 - Le microcalorimètre.

• Les quantités de chaleur à mesurer sont très petites, elles sont déterminées, par intégration, à partir de la mesure au cours du temps de l'écart de température entre la cellule du microcalorimètre et son enceinte.

  

 

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2021-04-28 15:07:22