chaleur

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Présentation

chaleur, en physique, forme d'énergie échangée entre deux corps. Ce transfert s'effectue sous forme d'énergie mécanique microscopique, correspondant au degré d'agitation des molécules. Ainsi, lorsqu'un corps reçoit de la chaleur, l'agitation de ses molécules a tendance à s'intensifier, ce qui se traduit la plupart du temps par une augmentation de la température de ce corps. Cependant, un apport de chaleur peut également provoquer un changement d'état : si on chauffe un glaçon, il fond progressivement tout en restant à 0 °C. Entre deux corps, la chaleur se propage spontanément du corps ayant la température la plus élevée vers celui ayant la température la plus basse, élevant donc généralement la température de ce dernier, tout en abaissant la température du premier. La chaleur ne se propage d'un corps froid vers un corps chaud qu'à condition de fournir un travail.

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Historique

Jusqu'à la fin du XVIII^e siècle, on expliquait l'effet de la chaleur sur la température d'un corps en postulant l'existence d'un fluide invisible, le calorique. Selon cette théorie, un corps chaud contenait plus de calorique qu'un corps froid. Par contact, le corps chaud perdait une partie de son calorique au profit du corps froid, augmentant ainsi la température de ce dernier tandis que celle du corps chaud diminuait.

Ce fut en 1798 que la théorie du calorique connut ses premiers vacillements. Le physicien américain Benjamin Thompson, après une série de travaux sur la chaleur, déclara cette année-là que la chaleur était « un mouvement intestin ou vibratoire des parties constitutives des corps chauffés ». En 1830, Nicolas Léonard Sadi Carnot anéantit la théorie du calorique en démontrant l'équivalence entre chaleur et travail. En 1842, le physicien britannique James Joule donna le coup de grâce au calorique en établissant l'équivalent mécanique de la calorie lors d'une expérience restée célèbre. En chauffant de l'eau dans un récipient clos à l'aide de roues à aubes, il montra que l'élévation de la température de l'eau était proportionnelle au travail exercé par les roues.

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Unités de chaleur

En physique, la chaleur s'exprime en joules (symbole J) puisque c'est une forme d'énergie, tout comme le travail. Toutefois, on utilise également la calorie (symbole Ca), définie comme étant la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 °C la température de 1 g d'eau à 15 °C sous une pression de 1 atm. On a l'équivalence 1 Ca = 4,1855 J.

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Chaleur latente

Une variation de la température d'un corps entraîne certains changements de ses propriétés physiques. Ainsi, presque tous les corps se dilatent lorsqu'ils sont chauffés et se contractent en se refroidissant (la glace constitue néanmoins une exception de taille). Lorsque l'on chauffe suffisamment un corps, on peut lui faire subir un changement d'état. Il peut ainsi passer de l'état solide à l'état liquide (fusion), de l'état liquide à l'état gazeux (vaporisation), ou encore directement de l'état solide à l'état gazeux (sublimation). Ces processus ont toujours lieu à la même température pour un corps donné et à pression fixée. On appelle chaleur latente la quantité de chaleur requise pour réaliser l'un de ces trois changements d'état. Ainsi, on parle de chaleurs latentes de sublimation, de fusion et de vaporisation (voir Vapeur ; Évaporation).

Lorsque l'on fait bouillir de l'eau dans un récipient ouvert à la pression atmosphérique, la température ne dépasse pas 100 °C, même si l'on augmente la quantité de chaleur. En effet, la chaleur absorbée par l'eau est utilisée pour transformer l'eau en vapeur : cette chaleur correspond à la chaleur latente. D'une manière similaire, si on chauffe un mélange d'eau et de glace, sa température ne change pas tant que toute la glace n'a pas fondu, car la chaleur absorbée est utilisée pour faire fondre la glace. À titre d'exemple, il faut fournir 19 kJ pour faire fondre 1 kg de glace, et 129 kJ pour convertir 1 kg d'eau en vapeur à 100 °C.