Comment caractériser les échanges d’énergie sous forme thermique ?

La température et les échelles de mesure

Définition de la température

La température est une grandeur physique qui caractérise l'agitation des particules qui composent la matière. Un thermomètre permet de mesurer cette grandeur.

L'échelle Celsius

En France, l'échelle de température adoptée est l'échelle Celsius $\rm (°C)$. Sur cette échelle, $\rm 0°C$ correspond à la température de solidification de l'eau et $\rm 100°C$ correspond à celle d'ébullition de l'eau (au niveau de la mer, sous la pression atmosphérique de $\rm 1~013~hPa$).

L'échelle Kelvin

Dans le système international, nous utilisons l'échelle Kelvin $\rm (K)$, qui ne comporte que des valeurs positives. Sur cette échelle :

• $\rm 0~ K$ correspond au zéro absolu, température où les particules sont totalement figées.
• $\rm 273,15~ K$ correspond à la température de solidification de l'eau
• $\rm 373,15~ K$ correspond à celle d'ébullition de l'eau.

Relation entre les échelles

Il existe une relation mathématique entre l'échelle Celsius et l'échelle Kelvin, où $\rm T~ (K)$ représente la température en Kelvin et $\rm T~ (°C)$ représente celle en degré Celsius :

$$\rm T~ (K) = T~ (°C)+273,15$$

Les états de la matière et les changements d'état

Les trois états principaux de la matière

Sur Terre, la matière existe principalement sous trois états : solide, liquide et gaz. La transformation physique d'un état de la matière à un autre s'appelle changement d'état.

Équilibre thermique et changements d'état

Équilibre thermique

Quand la température d'un système ne varie plus pendant un certain temps, on considère que le système a atteint son équilibre thermique.

Changement d'état d'un corps pur

Au cours d'un changement d'état, la température d'un corps pur ne varie pas. En revanche, il va soit absorber soit libérer de l'énergie pour pouvoir effectuer ce changement d'état, qui n'est qu'un réagencement des molécules qui le composent.

Lorsque l'on chauffe un glaçon sortant du congélateur, sa température monte jusqu'à atteindre $\rm 0°C$. Alors le changement d'état s'effectue à cette température. Puis, lorsque la fusion totale est terminée, alors la température de l'eau augmente de nouveau.

Phénomènes lors de l'apport d'énergie

Ainsi, quand on fournit de l'énergie à un système, il peut se produire deux phénomènes :

• Soit sa température augmente,
• Soit il change d'état.

Calcul de l'énergie nécessaire au changement d'état

Pour connaître la quantité d'énergie à fournir à un corps pour qu'il puisse changer d'état, on utilise la formule :

$Q = \rm m \times L$

Avec :

• $Q$ : la quantité d'énergie thermique (ou chaleur) nécessaire, en Joule $\rm (J)$,
• $\rm m$ la masse du corps en kilogrammes $\rm (kg)$
• $\rm L$ la chaleur latente de changement d'état en $\rm J/kg$.

A noter que quand un corps refroidit, il libère de la chaleur et quand il réchauffe, il absorbe de la chaleur.