Physique thermique

La matière existe sous trois états : solide, liquide et gaz.

Les changements d'état sont : la fusion (solide → liquide), l'ébullition/l'évaporation (liquide → gaz), la condensation (gaz → liquide) et la solidification (liquide → solide). Lors de la condensation, les particules gazeuses ralentissent et se rapprochent pour former un liquide. Lors de la solidification, les particules liquides perdent de l'énergie et s'installent en positions fixes.

Toute la matière est constituée de minuscules particules toujours en mouvement. C'est le modèle cinétique des particules.

• Dans un solide, les particules ne font que vibrer 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.

Température et énergie des particules

Lorsque vous chauffez une substance, ses particules se déplacent plus vite, elles ont donc plus d'énergie cinétique. La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des particules.

La température la plus basse possible est le zéro absolu, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. À ce moment-là, les particules possèdent l'énergie la plus faible possible.

Pression gazeuse

Les particules gazeuses heurtent les parois de leur récipient. Chaque impact est une petite poussée. La pression du gaz est la force totale de ces impacts par unité de surface.

• 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 :

Donc si le volume diminue de moitié, la pression double.

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, $p_1 V_1 = p_2 V_2$ :

Vérifiez la réponse avec un rapport : le volume est devenu $\tfrac{1}{4}$ fois plus grand, donc la pression est devenue $4$ fois plus grande. Vous pouvez conserver les cm³ et kPa ici, car les mêmes unités figurent des deux côtés de l'équation.

Mouvement brownien

Si vous observez la fumée dans l'air au microscope, vous voyez de minuscules grains se déplacer de manière saccadée et aléatoire. C'est le mouvement brownien. Ces grains sont repoussés par des particules d'air rapides et invisibles qui les frappent. C'est une preuve forte du modèle cinétique des particules.

L'échelle de Kelvin

Les scientifiques utilisent souvent l'échelle de température kelvin (K), qui commence au zéro absolu. Pour convertir :

Donc $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.

Exemple résolu. Convertissez $25\,{}^{\circ}\text{C}$ en kelvin, et $200\ \text{K}$ en degrés Celsius.

Lorsqu'un matériau est chauffé, ses particules bougent davantage et occupent plus d'espace, ce qui provoque son expansion. Les gaz s'expandent le plus, suivis des liquides, puis des solides. Cet ordre résulte des forces entre les particules : dans un solide, les particules sont fermement maintenues dans un réseau (un motif fixe), elles ne peuvent vibrer que légèrement davantage ; dans un liquide, elles sont retenues moins fortement ; dans un gaz, les forces sont très faibles, permettant aux particules de se disperser 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.

L'énergie interne d'un objet correspond à l'énergie cinétique et potentielle microscopique aléatoire totale de ses particules, excluant le mouvement et la position globale de l'objet. Le chauffage augmente l'énergie interne et généralement sa température.

La chaleur massique spécifique est l'énergie nécessaire pour élever la température de 1 kg d'un matériau de 1 °C.

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 $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$ :

Mesure de la chaleur massique spécifique. Pour un solide, utiliser un bloc métallique percé de deux trous : l'un pour un chauffeur électrique, l'autre pour un thermomètre. Mesurer la masse $m$ du bloc. Allumer le chauffeur pendant une durée mesurée $t$ et relever le courant $I$ ainsi que la tension $V$, afin que l'énergie fournie soit $E = IVt$ (ou lire directement l'énergie sur un joulemètre). Enregistrer l'élévation de température $\Delta\theta$. Ensuite, calculer la chaleur massique spécifique $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. Pour un liquide, chauffer une masse mesurée de liquide dans un récipient en le remuant pour garantir une température uniforme. Envelopper le bloc ou le récipient de matériau isolant pour réduire les pertes énergétiques vers l'air.

Exemple résolu (à partir de données expérimentales). Un bloc d'aluminium de $1.0\ \text{kg}$ est chauffé par un chauffeur de $12\ \text{V}$ parcouru par un courant de $4.0\ \text{A}$ pendant $5.0$ minutes. Sa température passe de $20\,{}^{\circ}\text{C}$ à $35\,{}^{\circ}\text{C}$. Calculer la chaleur massique spécifique de l'aluminium.

Temps en secondes : $t = 5.0 \times 60 = 300\ \text{s}$. Énergie fournie :

Élévation de température : $\Delta\theta = 35 - 20 = 15\,{}^{\circ}\text{C}$.

La valeur théorique de l'aluminium est d'environ $900\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$. La valeur mesurée est trop élevée, car une partie de l'énergie du chauffeur s'est dissipée vers l'air sans chauffer le bloc. Le calcul suppose que toute l'énergie $14\,400\ \text{J}$ a été absorbée par le bloc, ce qui surestime la valeur. Une meilleure isolation améliore la précision du résultat.

La fusion et l'ébullition nécessitent de l'énergie, mais la température reste constante pendant le changement d'état. Cette énergie permet de vaincre les forces entre les particules. Pour l'eau à pression atmosphérique normale, la fusion intervient à $0\,{}^{\circ}\text{C}$ et l'ébullition à $100\,{}^{\circ}\text{C}$.

L'évaporation 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. Comme les particules les plus énergétiques partent, l'énergie moyenne des particules restantes diminue, provoquant un refroidissement du liquide. 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 rafraîchit la 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.

Exemple résolu (lecture d'une courbe de refroidissement). De la cire liquide chaude placée dans un tube à essai est laissée à refroidir dans une pièce à $20\,{}^{\circ}\text{C}$. Un élève relève sa température chaque minute et trace la courbe.

(a) Quel est le point de fusion de la cire ? La partie plate est située à $69\,{}^{\circ}\text{C}$. Une substance fond et solidifie à la même température, donc le point de fusion est $69\,{}^{\circ}\text{C}$.

(b) Que se passe-t-il entre 4 et 10 minutes ? La cire est en train de solidifier : le tube contient simultanément de la cire liquide et solide.

(c) Pourquoi la température reste-t-elle constante alors que l'énergie continue de s'échapper vers la pièce ? Lors de la solidification, les particules de cire se rapprochent et sont fixées par les forces intermoléculaires. Ce processus libère de l'énergie qui compense exactement celle perdue vers l'extérieur, maintenant ainsi la température stable.

(d) Pourquoi le solide se refroidit-il plus lentement à la fin ? La cire est maintenant proche de la température ambiante, elle transfère donc l'énergie vers la pièce plus lentement.

L'énergie thermique se déplace des zones chaudes vers les zones froides de trois manières.

Conduction

La conduction est le transfert d'énergie thermique à travers un matériau sans que ce dernier ne bouge. Les particules dans un solide sont disposées en réseau. Les particules chauffées vibrent davantage et transmettent l'énergie à leurs voisines. Dans les métaux, les électrons libres (électrons délocalisés) transportent rapidement l'énergie, ce qui fait des métaux de bons conducteurs thermiques.

Les matériaux qui conduisent mal (comme l'air, le bois et le plastique) sont des isolants thermiques.

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.

Convection

La convection se produit dans les liquides et les gaz. Lorsqu'un fluide est chauffé, il se dilate, devient moins dense et monte. Le fluide plus froid et plus dense descend pour prendre sa place. Ce cercle de fluide en mouvement constitue un courant de convection.

Montrer la convection. Déposez un cristal violet de permanganate de potassium dans un bécher d'eau et chauffez doucement le bécher sous le cristal. Un courant coloré s'élève au-dessus de la chaleur, s'étend sur le dessus et descend sur les côtés. Dans l'air, une bougie allumée sous l'une des cheminées d'une boîte à fumée tire la fumée par l'autre cheminée et la fait monter 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

Le rayonnement thermique est l'énergie transportée par des ondes infrarouges. Tous les objets l'émettent, et il ne nécessite pas de support matériel pour se propager — il peut traverser le vide (c'est ainsi que l'énergie nous parvient du Soleil).

Une surface mate et noire est un bon émetteur et un bon absorbeur d'infrarouges. Une surface brillante et blanche est un mauvais émetteur et un bon réfléchisseur.

Comparer les surfaces. Remplissez deux boîtes, l'une mate noire et l'autre argentée brillante, avec de l'eau chaude à la même température, et placez un thermomètre dans chacune. La boîte noire se 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 se réchauffe plus vite, c'est donc le meilleur absorbeur. Un cube de Leslie (une boîte métallique ayant chaque face avec une finition différente) démontre le même phénomène.

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 ces deux taux sont égaux. Tout changement de cet équilibre modifie la température. Les gaz de l'atmosphère, comme le dioxyde de carbone, absorbent une partie de l'infrarouge émis et renvient une portion vers le bas ; plus il y a de ces gaz, plus la Terre se réchauffe. 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.

Étudier l’isolation

Les questions pratiques vous demandent souvent de planifier ou d’analyser une étude sur la capacité des matériaux à réduire le transfert d’énergie.

Méthode. Versez le même volume d’eau chaude (par exemple $200\ \text{cm}^3$), à la même température initiale, dans des béchers identiques. Enveloppez un bécher de coton, un autre de papier bulle et un autre de papier aluminium, et laissez-en un sans enveloppe comme témoin. Placez un couvercle sur chacun et faites passer un thermomètre à travers chaque couvercle. Relevez chaque température toutes les 2 minutes pendant 20 minutes.

• Variable indépendante (ce que vous modifiez) : le matériau isolant.
• Variable dépendante (ce que vous mesurez) : la température après une durée déterminée ou la baisse de température.
• Variables de contrôle (maintenues constantes) : le volume et la température initiale de l’eau, le type de bécher, l’épaisseur de l’enveloppe, le couvercle et la température ambiante.

Exemple corrigé. Résultats d’un élève après 20 minutes :

(a) Quel matériau est le meilleur isolant ? Le coton : la température de son eau n’a baissé que de 14 °C, la plus faible baisse. (b) Expliquez pourquoi. Le coton et le papier bulle emprisonnent de l’air, qui est un mauvais conducteur. Cet air ne peut pas se déplacer, ce qui réduit également la convection. Le papier aluminium brillant n’aide que légèrement : il réfléchit une partie du rayonnement infrarouge, mais c’est un métal mince, bon conducteur, qui n’emprisonne pas d’air. (c) Proposez une amélioration. Répétez chaque test et calculez une moyenne, afin qu’un seul résultat inhabituel ne détermine pas la réponse ; ou utilisez un thermomètre plus fin, ou remuez avant chaque mesure afin que la température relevée soit celle de toute l’eau. (d) Pourquoi chaque bécher refroidit-il plus lentement au fil du temps ? La température de l’eau se rapproche de la température ambiante, et la vitesse du transfert d’énergie dépend de la différence de température.

Lisez le thermomètre en plaçant votre œil à la hauteur de la surface du liquide, afin d’éviter une erreur de parallaxe.

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 chauffe une pièce par convection : l'air adjacent se réchauffe, monte, et l'air plus frais circule 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 isotherme conserve la chaleur d'un liquide en réduisant les trois types de transferts : le vide entre ses parois doubles empêche la conduction et la convection à travers l'intervalle, et ses surfaces argentées brillantes réduisent le rayonnement. Une petite quantité d'énergie s'échappe encore par le bouchon et le col.

• 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.
• Dans une étude, indiquez les variables indépendante, dépendante et de contrôle, et maintenez constants tous les paramètres sauf celui que vous modifiez.
• 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.

Erreurs courantes

• Utiliser la température finale dans $\Delta E = mc\,\Delta\theta$. Utiliser la variation de température.
• Laisser le temps de chauffage en minutes dans $E = IVt$. Le convertir en secondes.
• Dire que les particules se dilatent lorsqu'une substance est chauffée. Les particules gardent la même taille ; elles se déplacent plus vite et s'éloignent les unes des autres.
• Affirmer qu’« aucune énergie n’est fournie » sur un palier d’une courbe de chauffage. De l’énergie est toujours fournie ; elle change l’état au lieu d’augmenter la température.
• Ajouter 273 à une température déjà exprimée en kelvin, ou oublier de l'ajouter lors de la conversion depuis °C.
• Affirmer que la convection se produit parce que « la chaleur monte ». Le fluide chauffé se dilate, devient moins dense et monte ; le fluide plus froid et plus dense descend.