Chaleur et calorimétrie
La chaleur s'écoule toujours d'un objet plus chaud vers un plus froid, jamais l'inverse, jusqu'à ce que les deux atteignent la même température. L'énergie nécessaire dépend de trois choses : la quantité de matière à chauffer, de quoi elle est faite, et l'ampleur du changement de température voulu.
La formule
Q = m · c · ΔT
- Q — énergie thermique (J): l'énergie transférée vers ou depuis un objet sous forme de chaleur
- m — masse (kg): la quantité de substance chauffée ou refroidie
- c — chaleur massique (J/(kg·K)): l'énergie nécessaire pour élever d'un kelvin un kilogramme du matériau
- ΔT — changement de température (K): la différence entre la température finale et initiale
Exemple résolu
Quelle énergie thermique faut-il pour réchauffer 2 kg d'eau de 5 kelvins ? (chaleur massique de l'eau ≈ 4000 J/(kg·K))
- m = 2 kg
- c = 4000 J/(kg·K)
- ΔT = 5 K
- Q = m · c · ΔT
- Q = 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K
Q = 40 000 J
Testez-vous
Au lieu de 2 kg, vous avez maintenant 4 kg d'eau et voulez toujours la réchauffer de 5 kelvins. Quelle énergie thermique faut-il ?
- 40 000 J
- 160 000 J
- Bonne réponse: 80 000 J
Correct ! Doubler la masse double l'énergie nécessaire : 4 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 80 000 J.
Retour aux 2 kg d'eau, mais vous voulez maintenant monter sa température de 10 kelvins au lieu de 5. Quelle énergie thermique faut-il ?
- Bonne réponse: 80 000 J
- 40 000 J
- 20 000 J
Exact — doubler le changement de température double l'énergie : 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 10 K = 80 000 J.
Où vous le voyez
Le même après-midi, le sable de la plage brûle vos pieds tandis que l'océan reste frais — un kilogramme d'eau avale environ 4000 joules par kelvin, plusieurs fois ce qu'il faut au sable, si bien que la mer se réchauffe lentement toute la saison. Une cuillère en métal dans une soupe chaude montre l'autre face : faible chaleur massique, variation de température rapide.
Erreurs courantes
La confusion la plus profonde est de prendre chaleur et température pour une seule et même chose — la température est la vitesse à laquelle les molécules bougent en moyenne, la chaleur est de l'énergie en transit, et le taux de change entre les deux est ce que cette loi énonce : Q = m · c · ΔT. Observez ensuite la proportionnalité : doubler la masse double l'énergie (2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 40 000 J devient 80 000 J pour 4 kg), et doubler la variation de température fait de même. Les différents matériaux paient réellement des tarifs différents.
Comment cela s'articule
La loi des gaz parfaits vous a dit comment la température d'un gaz fixe sa pression ; voici la liste des prix pour changer la température tout court — masse, matériau et variation, multipliés entre eux. Les moteurs thermiques, ensuite, essaient de faire passer ce flux de chaleur dans un cycle et d'en extraire du travail, et ils se soucieront beaucoup de la quantité de chaleur qu'ils ont dû dépenser.