Échanges de chaleur
On constate expérimentalement que le fait de fournir du travail mécanique à un système peut se traduire par une élévation de sa température (frottements).
On peut obtenir la même variation de température du système, sans avoir recours à un travail mécanique, simplement en mettant ce système en contact avec un corps de température plus élevée.
Nous disons alors qu'il y a eu transfert d'énergie par échange de chaleur.
La chaleur est un échange d'énergie entre deux systèmes, dont les mécanismes sont :
la conduction : les deux systèmes qui échangent de la chaleur sont en contact ; à l'échelle microscopique, il y transfert de l'énergie cinétique d'agitation moléculaire
la convection a lieu entre un solide et un fluide. À la surface du solide, le transfert de chaleur se fait par conduction, mais il est globalement favorisé par le mouvement du fluide (transport de paquets de fluide).
le rayonnement permet des échanges de chaleur sans contact : les photons infrarouges émis par une source chaude sont absorbés par un corps plus froid et provoquent une augmentation de l'énergie cinétique d'agitation thermique
Un système peut être thermiquement isolé, c'est à dire qu'il n'échange pas de chaleur avec son environnement lors de ses transformations.
Un tel système, plongé dans un milieu dont la température était initialement constante et homogène, ne provoque aucune modification de la température de ce milieu (indépendamment de la température initiale de ce milieu).
Nous admettons les propriétés suivantes :
la quantité de chaleur reçue par un système thermiquement isolé est nulle
la quantité de chaleur reçue par un système formé d'un ensemble de corps dont aucun ne peut glisser sur les autres, est la somme des quantités de chaleur reçues par chacun de ces corps
la quantité de chaleur reçue par un système de volume constant, ne subissant du fait du transfert de chaleur, aucune autre modification qu'une augmentation de température (en particulier, pas de changement de phase, ni de réaction chimique) s'écrit :
\(M\) étant la masse du système et \(c\) sa capacité calorifique (en J/kg/K).
Ces "axiomes" permettent la réalisation d'un calorimètre, pour mesurer des quantités de chaleur. Le calorimètre est un système de volume constant, contenant un corps de masse \(M_C\) et de capacité calorifique \(c_C\) connues, et mis en contact thermique avec le système à étudier, l'ensemble étant thermiquement isolé (voir le schéma). Considérons une transformation élémentaire de ce système. Soient \(\delta Q_S\) et \(\delta Q_C\) les quantités de chaleur reçues respectivement par le système étudié et le calorimètre, on a :
en vertu des deux premières propositions (la chaleur reçue par le système global, nulle ici puisqu'il est thermiquement isolé, est la somme des chaleurs reçues par les deux sous-parties). Il suffit de mesurer la variation de température \(dT_C\) du calorimètre pour accéder à la quantité de chaleur \(\delta Q_C\) :
dont on tire la quantité de chaleur reçue par le système dont on étudie la transformation :
On notera que la relation \[\delta Q=M.c.dT\] n'est valable que pour une transformation à volume constant, sans frottement, ni changement de phase ni réaction chimique.
Remarque :
Il est tout à fait possible, en levant ces restrictions, de fournir de la chaleur à un système qui garde sa température constante, ou de faire varier la température d'un système sans échanger de chaleur avec l'extérieur :
une casserole d'eau bouillante reçoit de la chaleur de la plaque chauffante sur laquelle elle est posée, et pourtant sa température reste égale à 100°C : il y a échange de chaleur sans augmentation de température ;
frottez-vous vigoureusement les mains : leur température augmente, sans qu'il y ait d'échange thermique (vos mains ne sont pas en contact avec un corps à une température plus élevée).
Dans ces deux cas, la relation \[\delta Q=M.c.dT\] n'est pas applicable.