Qu'est-ce que la chaleur, en réalité ? Si on zoome suffisamment, tout est fait de minuscules particules toujours en mouvement. Chauffez quelque chose, et ses particules se déplacent plus vite. Refroidissez-le, et…
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2.1
États de la matière 物态
Programme
2.1.1 États de la matière
Fondamental
Supplémentaire
1 Connaître les propriétés distinctives des solides, liquides et gaz
2 Connaître les termes pour les changements d'état entre solides, liquides et gaz (les transferts de gaz vers solide et solide vers gaz ne sont pas requis)
2.1.2 Modèle particulaire
Fondamental
Supplémentaire
1 Décrire la structure particulaire des solides, liquides et gaz en termes d'arrangement, d'espacement et de mouvement des particules et représenter ces états à l'aide de schémas simples de particules
6 Savoir que les forces et les distances entre les particules (atomes, molécules, ions et électrons) et le mouvement des particules affectent les propriétés des solides, liquides et gaz
2 Décrire la relation entre le mouvement des particules et la température, y compris l'idée qu'il existe une température minimale possible ($-273\,{}^{\circ}\text{C}$), appelée zéro absolu, où les particules ont le moins d'énergie cinétique
3 Décrire la pression et les variations de pression d'un gaz en termes du mouvement de ses particules et de leurs collisions avec une surface
7 Décrire la pression et les variations de pression d'un gaz en termes des forces exercées par des particules heurtant des surfaces, créant une force par unité de surface
4 Savoir que le mouvement aléatoire de particules microscopiques dans une suspension est une preuve du modèle particulaire cinétique de la matière
8 Savoir que des particules microscopiques peuvent être déplacées par des collisions avec des molécules rapides et correctement utiliser les termes atomes ou molécules distincts des particules microscopiques
5 Décrire et expliquer ce mouvement (parfois appelé mouvement brownien) en termes de collisions aléatoires entre les particules microscopiques d'une suspension et les particules du gaz ou du liquide
2.1.3 Gaz et échelle absolue de température
Fondamental
Supplémentaire
1 Décrire qualitativement, en termes de particules, l'effet sur la pression d'une masse fixe de gaz de : (a) un changement de température à volume constant (b) un changement de volume à température constante
3 Mémoriser et utiliser l'équation $pV = \text{constant}$ pour une masse fixe de gaz à température constante, y compris une représentation graphique de cette relation
2 Convertir les températures entre kelvin et degrés Celsius ; mémoriser et utiliser l'équation $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$
Source : Programme Cambridge International
Théorie cinétique : pression d'un gaz
La matière existe sous trois états : solide 固体, liquide 液体 et gaz 气体.
État
Forme
Volume
Particules
Solide
fixe
fixe
proches les unes des autres, disposées régulièrement, vibrantes
Liquide
prend la forme du contenant
fixe
proches les unes des autres, sans motif régulier, peuvent glisser les unes sur les autres
Gaz
remplit le contenant
variable
éloignées, rapides, mouvement aléatoire
Les changements d'état sont : la fusion (solide → liquide), l'ébullition/évaporation (liquide → gaz), la condensation 凝结 (gaz → liquide) et la solidification 凝固 (liquide → solide). Lors de la condensation, les particules de gaz ralentissent et se rapprochent pour former un liquide. Lors de la solidification, les particules liquides perdent de l'énergie et se fixent dans des positions stables.
Toute la matière est constituée de minuscules particules 粒子 qui sont toujours en mouvement. C'est le modèle cinétique des particules.
Dans un solide, les particules ne vibrent 振动 qu'autour de positions fixes.
Dans un liquide, elles restent proches mais peuvent glisser les unes sur les autres.
Dans un gaz, elles sont éloignées et se déplacent rapidement dans des directions aléatoires.
Les mêmes particules dans trois états : fixes et ordonnées dans un solide, proches mais désordonnées dans un liquide, éloignées et rapides dans un gaz
Température et énergie des particules
Lorsque vous chauffez une substance, ses particules se déplacent plus vite, donc elles ont plus d'énergie cinétique 动能. La température 温度 est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des particules.
La température la plus basse possible est le zéro absolu 绝对零度, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. À ce moment-là, les particules possèdent l'énergie minimale possible.
Un thermomètre numérique mesure la température en détectant l'énergie cinétique des particules qu'il touche
Pression gazeuse
Les particules de gaz heurtent les parois de leur contenant. Chaque impact est une petite poussée. La pression 压强 du gaz est la force totale de ces impacts par unité de surface.
La pression du gaz est la force totale de countless impacts de particules sur chaque unité de surface du mur
Chauffer un gaz (à volume constant) fait que les particules se déplacent plus vite et frappent plus fort et plus souvent, donc la pression augmente.
Compresser un gaz dans un plus petit volume (à température constante) signifie plus d'impacts par seconde sur chaque unité de surface, donc la pression augmente.
Pour une masse fixe de gaz à température constante :
$$pV = \text{constant}$$
Donc si le volume diminue de moitié, la pression double.
À température constante, le graphique pression–volume est une courbe : réduisez le volume de moitié et la pression double, donc $pV$ reste constant
Exemple résolu. Un gaz a un volume de $200\ \text{cm}^3$ à une pression de $100\ \text{kPa}$. Il est comprimé à $50\ \text{cm}^3$ à température constante. Trouvez la nouvelle pression.
Puisque $pV$ reste constant, $p_1 V_1 = p_2 V_2$ :
Si vous observez la fumée dans l'air au microscope, vous voyez de minuscules particules se déplacer de manière saccadée et aléatoire. C'est le mouvement brownien 布朗运动. Ces particules sont repoussées par des molécules d'air rapides et invisibles qui les heurtent. C'est une preuve forte du modèle cinétique des particules.
Des chocs aléatoires provenant de particules d'air rapides poussent un grain de fumée suivant un trajet saccadé et aléatoire
L'échelle de Kelvin
Les scientifiques utilisent souvent l'échelle de température kelvin 开尔文 (K), qui commence au zéro absolu. Pour convertir :
$$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$
Donc $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.
Exemple résolu. Convertissez $25\,{}^{\circ}\text{C}$ en kelvin, et $200\ \text{K}$ en degrés Celsius.
Faites glisser le piston vers l'intérieur pour réduire le volume. Les mêmes particules sont tassées dans un espace réduit, elles heurtent donc les parois plus souvent et la pression augmente — tandis que pression × volume reste constant.
transfer of thermal energy/ˈtrænsfɜː ɒv ˈθɜːml ˈenədʒi/
热能传递
rè néng chuán dì
2.2
Expansion thermique 热膨胀
Programme
2.2.1 Dilatation thermique des solides, liquides et gaz
Fondamental
Supplémentaire
1 Décrire, qualitativement, la dilatation thermique des solides, liquides et gaz à pression constante
3 Expliquer, en termes de mouvement et d'arrangement des particules, l'ordre de grandeur relatif de la dilatation des solides, liquides et gaz lorsque leurs températures augmentent
2 Décrire certaines applications et conséquences quotidiennes de la dilatation thermique
2.2.2 Capacité thermique massique
Fondamental
Supplémentaire
1 Savoir qu'une augmentation de la température d'un objet augmente son énergie interne
2 Décrire une augmentation de température d'un objet en termes d'augmentation des énergies cinétiques moyennes de toutes les particules de l'objet
3 Définir la capacité thermique massique comme l'énergie requise par unité de masse par unité d'augmentation de température ; mémoriser et utiliser l'équation
$$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$
4 Décrire des expériences pour mesurer la capacité thermique massique d'un solide et d'un liquide
2.2.3 Fusion, ébullition et évaporation
Fondamental
Supplémentaire
1 Décrire la fusion et l'ébullition en termes d'apport d'énergie sans changement de température
6 Décrire les différences entre l'ébullition et l'évaporation
2 Connaître les températures de fusion et d'ébullition de l'eau à la pression atmosphérique standard
3 Décrire la condensation et la solidification en termes de particules
4 Décrire l'évaporation en termes de fuite de particules plus énergétiques à la surface d'un liquide
7 Décrire comment la température, la surface et le mouvement de l'air au-dessus d'une surface affectent l'évaporation
5 Savoir que l'évaporation provoque le refroidissement d'un liquide
8 Expliquer le refroidissement d'un objet en contact avec un liquide évaporant
Source : Programme Cambridge International
Lorsqu'un matériau est chauffé, ses particules bougent davantage et occupent plus d'espace, ce qui fait que le matériau se dilate. Les gaz se dilatent le plus, suivis des liquides, puis des solides. Cet ordre provient des forces entre les particules : dans un solide, les particules sont maintenues fermement dans un réseau 晶格 (un motif fixe), elles ne peuvent donc vibrer que légèrement plus ; dans un liquide, elles sont retenues moins fortement ; dans un gaz, les forces sont très faibles, donc les particules s'écartent beaucoup plus.
Exemples quotidiens : des espaces sont laissés entre les rails de chemin de fer ; les ponts reposent sur des galets ; un couvercle métallique serré se desserre lorsqu'il est chauffé.
Une petite lacune est laissée entre les rails quand ils sont froids, afin qu'en se dilatant sous la chaleur, la lacune se ferme au lieu de déformer la voie
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Réchauffement et chaleur spécifique
Q = mcΔT
L'énergie thermique nécessaire est proportionnelle à l'élévation de température pour une masse donnée de matériau.
L'énergie interne 内能 d'un objet est l'énergie totale de toutes ses particules. Chauffer un objet augmente son énergie interne et généralement sa température.
La capacité calorifique massique 比热容 est l'énergie nécessaire pour élever la température de 1 kg d'un matériau de 1 °C.
$$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$
Un matériau à haute capacité calorifique massique (comme l'eau) nécessite beaucoup d'énergie pour chauffer et refroidit lentement.
Exemple résolu. Quelle quantité d'énergie faut-il pour chauffer $2.0\ \text{kg}$ d'eau de $20\,{}^{\circ}\text{C}$ à $70\,{}^{\circ}\text{C}$ ? La capacité thermique massique de l'eau est $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.
En réarrangeant $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$, on obtient $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, avec $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$ :
Mesurer la capacité calorifique massique. Pour un solide, utilisez un bloc métallique percé de deux trous : l'un pour un chauffeur électrique 加热器 et l'autre pour un thermomètre 温度计. Mesurez la masse $m$ du bloc. Allumez le chauffeur pendant une durée mesurée $t$ et enregistrez le courant $I$ et la tension $V$, de sorte que l'énergie fournie soit $E = IVt$ (ou lisez l'énergie sur un joulemètre). Enregistrez l'élévation de température $\Delta\theta$. Ensuite, $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. Pour un liquide, chauffez une masse mesurée de liquide dans un récipient et agitez-le, afin que la température soit uniforme partout. Enveloppez le bloc ou le récipient d'isolant 隔热材料, afin qu'une moindre quantité d'énergie s'échappe vers l'air.
Eau bouillante : l'énergie interne augmente avec la température ; la capacité calorifique massique est l'énergie par kg par °C
Fusion 熔化 et ébullition 沸腾 nécessitent de l'énergie, mais la température reste constante pendant le changement d'état. Cette énergie brise les forces entre les particules. Pour l'eau à pression atmosphérique normale, la fusion a lieu à $0\,{}^{\circ}\text{C}$ et l'ébullition à $100\,{}^{\circ}\text{C}$.
Pendant que la substance fond et bout, la température reste plate, bien que de l'énergie soit toujours ajoutée
Évaporation 蒸发 est le passage d'un liquide à un gaz à sa surface, en dessous du point d'ébullition. Les particules les plus rapides s'échappent de la surface. Puisque les particules les plus rapides (les plus énergétiques) partent, l'énergie moyenne de celles restantes diminue, donc le liquide se refroidit 冷却. Un objet en contact avec un liquide en évaporation se refroidit également, car le liquide prélève de l'énergie sur lui : c'est pourquoi la transpiration refroidit votre peau.
L'évaporation est plus rapide lorsque la température est plus élevée, la surface est plus grande et qu'il y a plus de mouvement d'air au-dessus de la surface.
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La courbe de chauffage — observez la pause de température
Pendant que la substance fond ou bout, la température reste stable, même si de la chaleur continue d'être ajoutée — l'énergie brise les liaisons plutôt que de chauffer.
2.3
Transfert d'énergie thermique 热能传递
Programme
2.3.1 Conduction
Fondamental
Supplémentaire
1 Décrire des expériences pour démontrer les propriétés des bons conducteurs thermiques et des mauvais conducteurs thermiques (isolants thermiques)
2 Décrire la conduction thermique dans tous les solides en termes de vibrations de réseau atomique ou moléculaire et aussi en termes du mouvement des électrons libres (délocalisés) dans les conducteurs métalliques
3 Décrire, en termes de particules, pourquoi la conduction thermique est mauvaise dans les gaz et la plupart des liquides
4 Savoir qu'il existe de nombreux solides qui conduisent l'énergie thermique mieux que les isolants thermiques mais moins bien que les bons conducteurs
2.3.2 Convection
Fondamental
Supplémentaire
1 Savoir que la convection est une méthode importante de transfert d'énergie thermique dans les liquides et les gaz
2 Expliquer la convection dans les liquides et les gaz en termes de changements de densité et décrire des expériences illustrant la convection
2.3.3 Rayonnement
Fondamental
Supplémentaire
1 Savoir que le rayonnement thermique est un rayonnement infrarouge et que tous les objets émettent ce rayonnement
2 Savoir que le transfert d'énergie thermique par rayonnement thermique ne nécessite pas de milieu
4 Savoir que pour qu'un objet soit à température constante, il doit transférer l'énergie vers l'extérieur au même rythme qu'il en reçoit
3 Décrire l'effet de la couleur de surface (noir ou blanc) et de la texture (mat ou brillant) sur l'émission, l'absorption et la réflexion du rayonnement infrarouge
5 Savoir ce qui se produit à un objet si le rythme auquel il reçoit de l'énergie est inférieur ou supérieur au rythme auquel il transfère l'énergie vers l'extérieur
6 Savoir comment la température de la Terre est affectée par des facteurs contrôlant l'équilibre entre le rayonnement incident et le rayonnement émis par la surface terrestre
7 Décrire des expériences permettant de distinguer les bons et les mauvais émetteurs de rayonnement infrarouge
8 Décrire des expériences permettant de distinguer les bons et les mauvais absorbeurs de rayonnement infrarouge
9 Décrire comment le taux d'émission de rayonnement dépend de la température de surface et de la surface d'un objet
2.3.4 Conséquences du transfert d'énergie thermique
Fondamental
Supplémentaire
1 Expliquer certaines applications et conséquences quotidiennes de base de la conduction, de la convection et du rayonnement, notamment : (a) le chauffage d'objets tels que les casseroles de cuisine (b) le chauffage d'une pièce par convection
2 Expliquer certaines applications et conséquences complexes de la conduction, de la convection et du rayonnement où plusieurs types de transfert d'énergie thermique sont significatifs, notamment : (a) un feu brûlant du bois ou du charbon (b) un radiateur dans une voiture
Source : Programme Cambridge International
L'énergie thermique se déplace des zones chaudes vers les zones froides de trois manières.
Conduction
Conduction 热传导 est le transfert d'énergie thermique à travers un matériau sans que le matériau ne se déplace. Les particules d'un solide sont disposées dans un réseau. Les particules chauffées vibrent davantage et transmettent l'énergie à leurs voisines. Dans les métaux, des électrons libres (électrons délocalisés 自由电子) transportent rapidement l'énergie, donc les métaux sont de bons conducteurs thermiques 热导体.
Les matériaux qui conduisent mal (comme l'air, le bois et le plastique) sont des isolants thermiques 热绝缘体.
Tester les conducteurs. Fixez une punaise avec un peu de cire à une extrémité de tiges de cuivre, de fer, de verre et de bois, et chauffez uniformément les autres extrémités. La punaise tombe d'abord de la tige de cuivre, puis de celle de fer, et en dernier (ou jamais) de celle de verre et de bois : les métaux sont les meilleurs conducteurs. Une tige de métal tenue dans une flamme devient vite chaude ; une tige de bois ne chauffe pas.
Les gaz et la plupart des liquides sont de mauvais conducteurs car leurs particules sont éloignées et ne transmettent l'énergie que lors de collisions fortuites. Il n'y a pas de réseau et pas d'électrons libres.
En conduction, les particules vibrantes transmettent l'énergie à leurs voisines, donc l'énergie circule de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide
Convection
Convection 对流 se produit dans les liquides et les gaz. Lorsqu'un fluide est chauffé, il se dilate, devient moins dense et monte. Le fluide plus frais et plus dense descend pour prendre sa place. Ce cercle de fluide en mouvement forme un courant de convection.
Le fluide chauffé monte et le fluide frais descend, mettant en place un courant de convection
Montrer la convection. Déposez un cristal de permanganate de potassium 高锰酸钾 violet dans un bécher d'eau et chauffez doucement le bécher sous le cristal. Un flux coloré monte au-dessus de la chaleur, se répand sur le dessus et descend sur les côtés. Dans l'air, une bougie allumée sous une cheminée d'une boîte à fumée aspire la fumée par l'autre cheminée et la rejette au-dessus de la flamme.
La convection ne peut pas se produire dans un solide car les particules ne peuvent pas se déplacer d'un endroit à un autre.
Rayonnement
Rayonnement thermique 热辐射 est l'énergie transportée par des ondes infrarouges 红外线. Tous les objets l'émettent, et il ne nécessite aucun support matériel pour se propager — il peut traverser le vide (c'est ainsi que l'énergie nous atteint depuis le Soleil).
Une surface mate 暗淡 et noire est un bon émetteur 发射体 et un bon absorbeur 吸收te d'infrarouges. Une surface brillante et blanche est un mauvais émetteur et un bon réfléchisseur 反射体.
Une surface mate noire émet (et absorbe) l'infrarouge bien mieux qu'une surface brillante et blanche
Comparer les surfaces. Remplissez deux boîtes, l'une mate noire et l'autre argentée brillante, d'eau chaude à la même température, et placez un thermomètre dans chacune. La boîte noire refroidit plus vite, c'est donc le meilleur émetteur. Ensuite, placez les mêmes deux boîtes, remplies d'eau froide, à égale distance d'un radiateur. La boîte noire chauffe plus vite, c'est donc le meilleur absorbeur. Un cube de Leslie 莱斯利立方体 (une boîte métallique avec une face de chaque finition) montre la même chose.
Une caméra thermique (infrarouge) convertit l'infrarouge émis par une main chaude en image ; plus brillant signifie plus chaud
Un objet reste à une température constante lorsqu'il émet de l'énergie au même rythme qu'il en absorbe. Le taux d'émission est plus élevé lorsque la surface est plus chaude et plus grande. Si un objet absorbe de l'énergie plus vite qu'il n'en émet, sa température augmente ; s'il en émet plus vite qu'il n'en absorbe, sa température baisse.
La température de la Terre. La Terre absorbe le rayonnement solaire et émet du rayonnement infrarouge vers l'espace. Sa température moyenne reste constante uniquement lorsque les deux taux sont égaux. Tout ce qui modifie cet équilibre change la température. Les gaz dans l'atmosphère 大气 comme le dioxyde de carbone absorbent une partie de l'infrarouge émis et renvoient une partie vers le bas, donc davantage de ces gaz réchauffe la Terre. Les nuages et la glace réfléchissent la lumière solaire entrante, donc moins de glace signifie plus d'énergie absorbée, et la Terre se réchauffe davantage.
Exemples quotidiens
Une poêle de cuisine a une base métallique qui conduit rapidement l'énergie vers les aliments, et une poignée en plastique ou en bois qui est un isolant, afin de pouvoir la tenir.
Un radiateur 散热器 chauffe une pièce par convection : l'air à proximité se réchauffe, monte, et l'air plus frais s'écoule pour prendre sa place, réchauffant ainsi toute la pièce.
Assis près d'un feu, vous ressentez immédiatement son rayonnement sur votre visage ; l'air entre vous et le feu est un mauvais conducteur.
Une bouteille thermos 保温瓶 garde une boisson chaude en stoppant les trois transferts : le vide entre ses parois doubles empêche la conduction et la convection, et ses surfaces argentées brillantes bloquent le rayonnement.
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Laboratoire de transfert de chaleur
Comparez les voies par lesquelles l'énergie thermique se déplace.
Dans le modèle cinétique des particules, chauffer un gaz fait bouger ses particules plus vite et les fait heurter les parois plus fort et plus souvent, augmentant ainsi la pression. Les particules elles-mêmes ne grossissent pas.
L'évaporation ne se produit qu'à la surface et à n'importe quelle température ; l'ébullition se produit dans tout le liquide à une température fixe. L'évaporation refroidit le liquide restant, car les particules les plus rapides s'échappent.
Pendant la fusion et l'ébullition, la température reste constante même si de l'énergie est encore fournie — cette énergie brise les forces entre les particules.
Pour la capacité calorifique massique, utilisez $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, où $\Delta\theta$ est la variation de température, et non la température finale.
Les surfaces mates noires sont les meilleurs émetteurs et absorbeurs d'infrarouges ; les surfaces brillantes et claires sont les meilleurs réflecteurs. La convection nécessite un fluide pour circuler, elle ne peut donc pas se produire dans un solide.
Leçons interactives sur ce sujet
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