1. Définition de la chaleur

Pour la plupart d’entre vous, la chaleur est une sensation ressentie lorsque nous touchons un objet dont la température est différente de celle de notre main.

Nous pouvons ressentir :

• une sensation de glace ;

• une sensation de très froid ;

• une sensation de froid ;

• une sensation de tiède ;

• une sensation de chaud ;

• une sensation de très chaud ;

• une sensation de brûlant (seuil de la douleur : 65 °C).

En réalité, notre cerveau compare la température de notre corps à celle de l’objet avec lequel nous sommes en contact.

La paume de la main a une température d’environ 29 à 33 °C.

Plus la température de l’objet à évaluer s’éloigne de celle de la paume de la main, plus l’appréciation est difficile et risquée.

2. Comment mesure-t-on la température pour déterminer la chaleur ?

Pour mesurer précisément cette chaleur, on utilise un thermomètre avec une échelle de température allant de 0 °C à 100 °C.

0 °C correspond à la température indiquée par un thermomètre plongé dans de la glace fondante.

100 °C correspond à la température d’ébullition de l’eau.

Il faut donc utiliser un thermomètre pour obtenir une mesure précise, plutôt que de se fier uniquement à la sensation de chaleur.

3. Quelle est l’unité de la quantité de chaleur ?

L’unité traditionnelle de la chaleur est la calorie.

La calorie est définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever d’un degré Celsius la température d’un gramme d’eau.

On note une calorie :

1 cal

La relation entre la calorie et le joule est :

1 cal = 4,185 J

Le joule est l’unité légale de l’énergie depuis 1978.

Dans les installations, les quantités d’énergie étant importantes, on utilise souvent le kilojoule :

1 kJ = 1 000 J

Donc, pour nous, la chaleur = l’énergie.

4. Les autres unités de chaleur

On peut rencontrer différentes unités dans les documents techniques.

Il est important de savoir reconnaître ces différentes unités.

5. Chauffer et refroidir un corps

Chauffer un corps

Chauffer un corps consiste à augmenter le niveau d’agitation interne des particules en leur communiquant de l’énergie.

Autrement dit :

Chauffer = apporter de l’énergie au corps.

Refroidir un corps

Refroidir un corps consiste, au contraire, à diminuer le niveau d’agitation des particules en leur retirant de l’énergie.

Autrement dit :

Refroidir = retirer de l’énergie au corps.

6. La loi fondamentale de la chaleur

La quantité de chaleur reçue ou cédée par un corps dépend de trois éléments :

• la masse du corps ;

• la variation de température ;

• la nature du corps.

On va voir pourquoi.

Influence de la masse du corps

Si on prend du cuivre à environ 100 °C et que l’on double sa masse, la quantité de chaleur cédée à l’eau double également.

Le document montre, par exemple :

• 1 kg de cuivre à 100 °C donne une certaine quantité de chaleur ;

• 2 kg de cuivre à 100 °C donnent deux fois plus de chaleur.

On peut donc écrire :

La quantité de chaleur est proportionnelle à la masse du corps.

Donc, si la masse double, la quantité de chaleur double.

7. Influence de la variation de température

Prenons maintenant la même masse de cuivre.

Si le cuivre passe d’environ 100 °C à seulement 50 °C, la variation de température est divisée par deux.

La quantité de chaleur cédée à l’eau diminue également de moitié.

On peut donc écrire :

La quantité de chaleur est proportionnelle à la variation de température.

Ainsi :

• grande variation de température → grande quantité de chaleur ;

• petite variation de température → petite quantité de chaleur.

8. Influence de la nature du corps

La quantité de chaleur dépend également du matériau.

Le document compare notamment le cuivre et le soufre.

Pour une même masse et une même variation de température, la quantité de chaleur dégagée par le soufre est plus importante que celle dégagée par le cuivre.

On peut donc retenir :

La quantité de chaleur dépend de la nature du corps.

Cette propriété est caractérisée par la chaleur massique.

9. La formule de la quantité de chaleur

Les trois observations précédentes permettent d’établir la relation fondamentale :

Q = m × c × Δθ

Avec :

• Q : quantité de chaleur, exprimée en kJ ;

• m : masse du corps, exprimée en kg ;

• c : chaleur massique du corps, exprimée en kJ/kg·°C ou en kJ/kg·K ;

• Δθ : variation de température, exprimée en °C ou en K.

Dans le document, la variation de température est donnée par :

Δθ = θ₁ − θ₂

Il faut donc être attentif à l’ordre utilisé dans le cours.

10. La chaleur massique

La chaleur massique, notée c, correspond à la quantité d’énergie nécessaire pour élever de 1 °C la température de 1 kg d’un corps.

Elle dépend du corps considéré.

Son unité est :

kJ/kg·°C

ou

kJ/kg·K

Par exemple, pour l’eau :

c = 4,185 kJ/kg·K

Cela signifie qu’il faut 4,185 kJ pour élever de 1 K la température de 1 kg d’eau.

11. Exemple de calcul

Le document pose la question suivante :

Quelle sera la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 5 litres d’eau de 5 °C à 40 °C ?

On utilise :

Q = m × c × Δθ

Pour l’eau :

c = 4,185 kJ/kg·K

Pour 5 litres d’eau, on utilise une masse de :

m = 5 kg

La variation de température est :

Δθ = 40 − 5

Δθ = 35 °C

On remplace les valeurs dans la formule :

Q = 5 × 4,185 × (40 − 5)

Donc :

Q = 732,4 kJ

La quantité de chaleur nécessaire est donc :

Q = 732,4 kJ

12. Tableau des chaleurs massiques

Les valeurs de chaleur massique sont différentes selon les matériaux.

Quelques valeurs du document :

13. Méthode pour résoudre un exercice

Pour un exercice utilisant la quantité de chaleur, il faut procéder dans cet ordre.

Étape 1 : écrire la formule

Q = m × c × Δθ

Étape 2 : déterminer la masse

La masse doit être exprimée en kg.

Étape 3 : trouver la chaleur massique

On cherche c dans le tableau correspondant au matériau.

Étape 4 : calculer la variation de température

Δθ = θ₁ − θ₂

Il faut respecter la convention donnée dans le cours.

Étape 5 : remplacer les valeurs

On effectue le calcul.

Étape 6 : donner l’unité

La quantité de chaleur Q est exprimée en kJ.