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La chaleur

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Sun flare (Le Soleil et la Terre forment un exemple continu de processus de chauffage. Une partie du rayonnement thermique du Soleil frappe et réchauffe la Terre. Comparée au Soleil, la Terre a une température beaucoup plus basse et renvoie ainsi beaucoup moins de rayonnement thermique vers le Soleil. La chaleur de ce processus peut être quantifiée par la quantité nette et la direction (Soleil vers Terre) de l’énergie transférée au cours d’une période donnée.)

En thermodynamique, la chaleur est une énergie transférée d’un système à un autre en raison d’interactions thermiques. La quantité de chaleur transférée dans n’importe quel processus peut être définie comme la quantité totale d’énergie transférée à l’exclusion de tout travail macroscopique effectué et de tout transfert d’une partie de l’objet lui-même. Lorsque deux systèmes avec des températures différentes sont mis en contact, la chaleur circule spontanément du système plus chaud au système plus froid. Le transfert d’énergie sous forme de chaleur peut se produire par contact direct, à travers une barrière imperméable à la matière (comme dans la conduction), par rayonnement entre corps séparés, via un fluide intermédiaire (comme circulation convective) . Contrairement au travail, la chaleur implique le mouvement stochastique (aléatoire) de particules (telles que des atomes ou des molécules) également réparti entre tous les degrés de liberté, tandis que le travail se limite à un ou plusieurs degrés de liberté spécifiques tels que ceux du centre de masse.

Comme le travail thermodynamique, la chaleur est une propriété d’un processus et non une propriété d’un système. L’énergie échangée sous forme de chaleur (une fonction de processus) modifie l’énergie interne (une fonction d’état) de chaque système en quantités égales et opposées. Ceci se distingue de la conception commune de la chaleur en tant que propriété des systèmes à haute température.

Bien que la chaleur coule spontanément d’un corps plus chaud à un corps plus froid, il est possible de construire une pompe à chaleur ou un système de réfrigération qui contribue à augmenter la différence de température entre deux systèmes. En revanche, un moteur thermique réduit la différence de température existante pour travailler sur un autre système.

La chaleur est mesurée par son effet sur les états des corps en interaction, par exemple, par la quantité de glace fondue ou un changement de température. La quantification de la chaleur via le changement de température d’un corps est appelée calorimétrie.

Notation et unités

En tant que forme d’énergie, la chaleur possède l’unité joule (J) dans le Système international d’unités (SI). Le symbole conventionnel utilisé pour représenter la quantité de chaleur échangée dans un processus thermodynamique est Q. Cependant, dans de nombreux domaines appliqués à l’ingénierie, l’unité thermique britannique (BTU) et les calories sont souvent utilisés. L’unité standard pour le taux de chaleur transféré est le watt (W), défini comme un joule par seconde.

L’utilisation du symbole Q pour la quantité totale d’énergie transférée sous forme de chaleur est due à Rudolf Clausius en 1850:

« Soit appelé Q la quantité de chaleur qui doit être transmise pendant le passage du gaz de manière définie d’un état donné à un autre, dans lequel son volume est v et sa température t. »

La chaleur dégagée par un système dans son environnement est par convention une quantité négative (Q < 0); lorsqu’un système absorbe de la chaleur de son environnement, il est positif (Q > 0). Le taux de transfert de chaleur, ou le flux de chaleur par unité de temps, est noté . Il ne faut pas confondre ceci avec une dérivée temporelle d’une fonction d’état (qui peut également être écrite avec la notation par points), puisque la chaleur n’est pas fonction de l’état. Le flux de chaleur est défini comme le taux de transfert de chaleur par unité de surface transversale (unités en watts par mètre carré).

Thermodynamique classique

Chaleur et entropie

En 1856, Rudolf Clausius, en se référant à des systèmes fermés, dans lesquels il n’ya pas de transfert de matière, définit le second théorème fondamental (la seconde loi de la thermodynamique) dans la théorie mécanique de la chaleur (thermodynamique): « si deux transformations qui ne nécessitent pas tout autre changement permanent, pouvant se remplacer mutuellement, s’appelle équivalent, alors les générations de la quantité de chaleur Q issue du travail à la température T ont la valeur d’équivalence:  »

Q/T.

En 1865, il en vint à définir l’entropie symbolisée par S, de sorte que, du fait de la quantité de chaleur Q à la température T, l’entropie du système est augmentée de

ΔS = Q/T

Suivant la définition ci-dessus, pour un tel processus réversible fictif, une quantité de chaleur transférée δQ (un différentiel inexact) est analysée comme une quantité TdS, avec dS (un différentiel exact):

TdS = δQ.

Cette égalité n’est valable que pour un transfert fictif dans lequel il n’y a pas de production d’entropie, c’est-à-dire sans entropie non compensée.

Si, au contraire, le processus est naturel, et peut réellement se produire, avec irréversibilité, il y a production d’entropie, avec dSnoncompensé > 0. La quantité TdSnoncompensé a été qualifiée par Clausius de « chaleur non compensée », bien que cela ne soit pas conforme au présent terminologie du jour. Alors on a

TdS ≥ δQ

qui est la deuxième loi de la thermodynamique pour les systèmes fermés.

La seconde loi pour un processus naturel affirme que

dSi > 0.

Chaleur et enthalpie

Pour un système fermé (un système auquel aucune matière ne peut entrer ou sortir), une version de la première loi de la thermodynamique stipule que la variation de l’énergie interne ΔU du système est égale à la quantité de chaleur Q fournie au système moins la quantité de travail W effectuée par système sur son environnement. La convention sur les signes précitée pour le travail est utilisée dans le présent article, mais une convention sur les signes alternatifs, suivie par l’UICPA, pour le travail, consiste à considérer le travail effectué sur le système par son environnement comme positif. C’est la convention adoptée par de nombreux manuels de chimie physique modernes, mais de nombreux manuels de physique définissent le travail comme un travail effectué par le système.

ΔU = Q – W.

Cette formule peut être réécrite afin d’exprimer une définition de la quantité d’énergie transférée sous forme de chaleur, basée uniquement sur le concept de travail adiabatique, si l’on suppose que ΔU est défini et mesuré uniquement par des processus de travail adiabatique:

Q = ΔU + W.

Le travail effectué par le système comprend des travaux de délimitation (lorsque le système augmente son volume contre une force externe, telle que celle exercée par un piston) et d’autres travaux (p.ex. un travail effectué par un ventilateur), appelé travail isochore. Ici, nous négligerons la contribution d’«autre» ou la contribution au travail isochore.

L’énergie interne, U, est une fonction d’état. Dans les processus cycliques, tels que le fonctionnement d’un moteur thermique, les fonctions d’état de la substance de travail reviennent à leurs valeurs initiales à la fin d’un cycle.

H, l’enthalpie, est définie par

H = U + PV.

Transfert de chaleur entre deux corps

Se référant à la conduction, Partington écrit: « Si un corps chaud est amené à entrer en contact avec un corps froid, la température du corps chaud tombe et celle du corps froid monte, et on dit qu’une quantité de chaleur est passée du corps chaud au corps froid. »

En référence au rayonnement, Maxwell écrit: « Dans le rayonnement, le corps le plus chaud perd de la chaleur et le corps plus froid reçoit de la chaleur grâce à un processus intervenant dans un milieu intermédiaire qui ne devient pas lui-même chaud. »

Maxwell écrit que la convection en tant que telle « n’est pas un phénomène purement thermique ». En thermodynamique, la convection en général est considérée comme un transport d’énergie interne. Si, toutefois, la convection est fermée et circulatoire, elle peut alors être considérée comme un intermédiaire qui transfère de l’énergie sous forme de chaleur entre les organismes sources et destinataires, car elle transfère uniquement de l’énergie et non de la source au corps destinataire.

Conformément à la première loi pour les systèmes fermés, l’énergie transférée uniquement sous forme de chaleur quitte un corps et entre dans un autre, modifiant les énergies internes de chacun. Le transfert d’énergie entre les corps, en tant que travail, est un moyen complémentaire de changer les énergies internes. Bien que cela ne soit pas logiquement rigoureux du point de vue des concepts physiques stricts, une forme courante de mots qui exprime cela est de dire que la chaleur et le travail sont interconvertibles.

Les moteurs à fonctionnement cyclique, qui utilisent uniquement des transferts de chaleur et de travail, disposent de deux réservoirs thermiques, l’un chaud et l’autre froid. Ils peuvent être classés en fonction de la plage de températures de fonctionnement du corps de travail par rapport à ces réservoirs. Dans un moteur thermique, le corps de travail est à tout moment plus froid que le réservoir chaud et plus chaud que le réservoir froid. En un sens, il utilise le transfert de chaleur pour produire du travail. Dans une pompe à chaleur, le corps de travail, aux différentes étapes du cycle, est plus chaud que le réservoir chaud et plus froid que le réservoir froid. En un sens, il utilise le travail pour produire un transfert de chaleur.

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