Physique 6ème Générale
6G3 - Energie thermique – page 6 de 37 3 Dilatation thermique 3 1 Expériences Dilatation d’un fil chauffé par passage du courant Anneau de Gravesande Conclusion Lorsque la température d’un corps s’élève, le corps se dilate Inversement, si le corps se refroidit, il se contracte 3 2 Dilatation linéaire
ENERGIE THERMIQUE – EXERCICES
Energie électrique Energie thermique = Eu = Q - La puissance nécessaire pour produire 104 500 Kj en t = 6h t en seconde = 6 x 3600 = 21600 s P = Eu/t = Q/t donc P = 104 500 000/21600 = 4837,9 W soit 4,8 kW Exercice 5 Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour porter 6,75 kg de viande de 3 à 65°C la
CHALEUR ET ENERGIE THERMIQUE - UNIGE
Energie thermique Nous avons etudi´ e l’´ energie m´ ecanique,´ energie associ´ ee´ a un objet qui` se deplace ou interagit dans son ensemble avec d’autres objets : c’est une´ energie ordonn´ ee´ Mais les atomes individuels qui constituent un corps ont chacun un mouvement independant, et ceci´ a l’int` erieur du corps ´
MESURER UNE ENERGIE Nom et prénom de l’élève THERMIQUE
MESURER UNE ENERGIE THERMIQUE - RENDEMENT Nom et prénom de l’élève OBJECTIFS - Mesurer l’énergie libérée par la combustion d’une bougie -Calculer un rendement 1- Protocole opératoire Une canette en aluminium est maintenue à l’aide d’un support contenant une certaine quantité d’eau
Catalogue des ponts thermiques - VDCH
SIA 180 071 thermique et coefficient de transmission thermique – Méthode de calcul 1996 Norme EN ISO 10077-1 Performance thermique des fenêtres, portes et fermetures SIA 180 081 Calcul du coefficient de transmission thermique –
Méthode de calcul des déperditions calorifiques de base
4 Calcul des déperditions par transmission 5 Calcul des déperditions par renouvellement d’air 6 Calcul des déperditions totales 7 Calcul de la surpuissance de relance 8 Calcul de la charge thermique nominale Janvier 2015 -Page 6 Procédure de calcul (bâtiment) 1 Somme des déperditions par transmission des espaces chauffés 2
TRANSFERTS THERMIQUES
La thermique (ou thermocinétique) se propose de décrire quantitativement (dans l’espace et dans le temps) l’évolution des grandeurs caractéristiques du système, en particulier la température, entre l’état d’équilibre initial
Thème 2 Ch2 Le bilan thermique du corps humain
3) La puissance thermique du corps humain •La puissance thermique libérée par le corps humain au repos est l’ensemble des puissances thermiques de ses organes •Elle traduit la quantité d’énergie évacuée par le corps par unité de temps pour une personne éveillée au repos •Elle est d’environ 100 watts
Chapitre 13 : Correction des exercices
Calcul de la résistance thermique du mur isolé : Comprendre : Lois et modèles Chapitre 13 : Transfert thermique Énergie, matière et rayonnement Exercices
[PDF] la chaine d'énergie d'un sèche cheveux
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CHALEUR ET ENERGIE THERMIQUELes atomes d"un solide (a) se heurtent constamment les uns aux autres et vibrent toujours au voisinage de leur position d"
´equilibre. Dans un liquide (b),
ces positions d" ´equilibre se d´eplacent et chaque atome vibre avec une plus grande amplitude. Dans un gaz (c), les oscillations disparaissent et le mouve- ment est essentiellement libre, jusqu"`a ce que les atomes entrent en collision.Jusqu"au XVIIemesi`ecle, beaucoup de savants pensaient que la chaleur
etait une manifestation du mouvement des atomes. Puis arriva une nouvelle th ´eorie, erron´ee, qui postulait que la chaleur´etait un fluide indestructible, sans masse, appel ´e "calorique". Cette id´ee a´et´e abandonn´ee d`es le d´ebut du XIX emesi`ecle, mais le nom calorie est rest´e.Universit´e de Gen`eve 13-1 C. LelucEnergie thermiqueNous avons´etudi´e l"´energie m´ecanique,´energie associ´ee`a un objet qui
se d ´eplace ou interagit dans son ensemble avec d"autres objets : c"est une energie ordonn´ee. Mais les atomes individuels qui constituent un corps ont chacun un mouvement ind´ependant, et ceci`a l"int´erieur du corps.
L" ´energie thermique est l"´energie cin´etique d´esordonn´ee totale (rotation- nelle, translationnelle et vibratoire) associ´ee`a un groupe de particules
(habituellement des atomes, ions et´electrons)`a l"int´erieur du corps.
Si on lance une pomme, elle ne subit aucune variation d"´energie thermique,
bien que son ´energie cin´etique augmente (par rapport`a nous) : un ther- mom `etre plant´e dans la pomme n"indique aucune variation de temp´erature due a ce mouvement. Tous les atomes de la pomme se d´eplacent ensemble; c"est un mouvement ordonn ´e. Par contre, si la pomme s"´ecrase contre un mur, elle se d ´eforme, une partie de son´energie cin´etique ordonn´ee sera transform´ee en ´energie cin´etique d´esordonn´ee, l"´energie thermique qui ainsi augmentera. L" ´energie ordonn´ee de l"ensemble est devenue de l"´energie d´esordonn´ee des constituants.Universit´e de Gen`eve 13-2 C. LelucEnergie thermique (suite)Consid´erons 3 m´ecanismes d"accroissement (ou diminution) de l"´energie ther-
mique;-on effectue un travail sur le corps : le remuer, le frotter, le comprimer ou le d ´eformer.Le travail est l"´energie m´ecanique organis´ee transf´er´ee au corps ou du corps, au moyen d"une force agissant `a distance.-on inonde le corps de rayonnement´electromagn´etique (lumi`ere visible, infrarouge,...). C"est ce qui arrive quand vous vous chauffer au soleil : l"ener- gie cin ´etique moyenne des mol´ecules augmente et la temp´erature de votre peau augmente.-on rend un corps plus chaud en le mettant en contact avec un objet de temp ´erature plus´elev´ee (p.e cuill`ere chauff´ee dans une flamme).La quan- tit ´e de chaleur (Q) est l"´energie thermique transf´er´ee, par les collisions des particules, d"une r ´egion de haute temp´erature`a une r´egion de basse temp´erature.
La chaleur est l"
´energie thermique´echang´ee entre 2 corps et une fois qu"elle est transf ´er´ee, elle n"est plus appel´ee chaleur.Universit´e de Gen`eve 13-3 C. LelucTemp´erature,´energie thermique, chaleurLa th´eorie cin´etique permet de faire la diff´erence entre :-la temp´eraturequi constitue une mesure de l"´energie cin´etiquemoyenne
des mol ´ecules individuelles. Elle est donc ind´ependante du nombre total d"atomes pr ´esents.-l"´energie thermiqueouinterne,U,qui correspond`a l"´energie cin´etique d ´esordonn´ee totale de toutes les mol´ecules d"un objet.Consid
´erons les particules d"un gaz parfait, de masses ponctuelles et sans interaction ( ´energie potentielle nulle). Elles n"ont aucune´energie cin´etique de rotation ou de vibration : l"´energie interne,U, existe seulement sous
forme d" ´energie cin´etique d´esordonn´ee de translation. Il r´esulte alors de la th ´eorie cin´etique que l"´energie interne d"un gaz parfait d´epend seulement de sa temp ´erature (page 12-20). Pour un´echantillon denmoles d"un gaz par- fait monoatomique, contenantnNAmol´ecules, l"´energie interne totale vautU= (nNA)(1/2mv2) = (nNA)32kBT= (nNA)32RNAT=32nRT-la chaleurqui consiste en untransfertd"´energie (g´en´eralement thermique)
d"un objet `a un autre dˆu`a leur diff´erence de temp´erature.Universit´e de Gen`eve 13-4 C. LelucQuantit´e de chaleurC"est J.Black qui le premier, en 1760, a d´efini l"unit´e de chaleur, lacalorie.
Elle est actuellement d
´efinie commela quantit´e de chaleur n´ecessaire pour elever de1◦Cla temp´erature de 1g d"eau de 14,5◦C`a 15,5◦C. Le domaine de temp ´erature est pr´ecis´e car cette quantit´e de chaleur est tr`es l´eg`erement diff ´erente aux autres temp´eratures (variation de 1% entre 0◦C et 100◦C).On a montr
´e exp´erimentalement que la quantit´e de chaleur fournie est propor- tionnelle au changement de temp ´erature r´esultant :Q≂ΔT, mais aussi`a la masse :Q≂m. Ainsi plus la masse d"un corps est grande, plus la cha- leur requise est grande pour produire la mˆeme´el´evation de temp´erature. On a
doncQ≂mΔT. Appelons cette constante de proportionalit´e,c, ainsi :Q=c mΔT=c m(Tf-Ti)avecc= 1cal.g-1(◦C)-1pour l"eau. La calorie est une quantit´e de chaleur
trop petite. On utilise surtout lakilocalorie (kcal), parfois appel´ee grande Calorie (1 kcal=1 Cal =1000 cal).Tableau de la consomma-
tion horaire approximativeen kcal.Masse du corps en kg456890100En sommeil406080105Debout70100140170Marche130195260320Course`a pied290440580730Universit´e de Gen`eve 13-5 C. Leluc
Exemple : Quantit´e de chaleurL"´equivalent d"un verre d"eau (270g de liquide)`a 20◦C rec¸oit 1000 cal d"un
r ´echaud. Supposant que toute l"´energie est transf´er´ee`a l"eau sans perte, quelle est la temp´erature finale du liquide?
SOLUTION :On a la relation :
Q=c mΔT=c m(Tf-Ti)
Pour la diff
´erence de temp´erature, on peut utiliser comme unit´e soit des degr´esCelsius, soit de Kelvins; la diff
´erence est la mˆeme.
1000cal= (1,00cal/g.C◦)(270g)(Tf-20,00◦C)
D"o `u on peut extraireTf: T f=1000cal(1,00cal/g.C◦)(270g)+ 20,0C◦= 23,7◦CUniversit´e de Gen`eve 13-6 C. LelucEquivalent m´ecanique de la chaleurCe n"est qu"au XIXeme si`ecle qu"on s"est rendu compte de l"´equivalence
chaleur- ´energie. Il a fallu trouver une r´eponse`a la question suivante : Si la chaleur est une forme d" ´energie, comment peut-on convertir des calories en joules? C"est J.P.Joule qui a trouv ´e exp´erimentalement l"´equivalent m´ecanique de la chaleur vers 1850, soit1cal= 4,186Jou1kcal= 4186JEn tombant, les poids font tourner les pa-
lettes, ce qui accroˆıt la temp´erature de l"eau.
L" ´energie potentielle gravitationnelle est trans- form ´ee en´energie cin´etique des palettes puis de l"eau. Cette´energie cin´etique finit parˆetre
transform´ee en´energie thermique dans l"en-
ceinte isol´ee.
L"unit
´e de chaleur en SI est lejoule : on peut
augmenter ou abaisser la temp´erature de 1
kilogramme d"eau de 1 kelvin en lui appor- tant (ou lui pompant) une chaleur de 4186 joules.Universit´e de Gen`eve 13-7 C. LelucLa capacit´e calorifique - sans changement d"´etatNous avons vu qu"une´energie thermique de 4,2kJ (1kcal)´el`eve la temp´erature
de 1 kg d"eau de 1 ◦C, mais il n"y a aucune raison qu"elle fasse la mˆeme chose pour un 1 kg de fer ou beurre. J.Black a trouv´e quechaque sub-
stance subit une variation de temp´erature sp´ecifique en recevant une
quantit ´e d´etermin´ee de chaleur. On peut´ecrire la mˆeme expression que pour l"eau, soitQ=m cΔTo`ucest la capacit´e calorifique mas-siquede la substance consid´er´ee exprim´ee en (J.kg-1.K-1) ou (cal.g-1.K-1).J.Black a plac´e une masse´egale d"eau et de
fer `a temp´erature´egale (Ti= 25◦C) sur un m ˆeme bruleur. Ajoutant la mˆeme quantit´e de chaleurQaux 2 r´ecipients, il a observ´e une augmentation diff´erente de temp´erature,ΔT:
ΔTFe=Tf
Fe-TiFe=Qm cFe
ΔTeau=Tf
eau-Ti eau=Qm ceauLes temp´eratures finales ne sont pas les mˆemes carcFe=0,11 kcal/(kg·◦C) etceau= 1,0 kcal/(kg.◦C)≂9cFe. Ainsi l"augmentation de temp´erature du fersera≂9fois celle de l"eau. Si l"eau monte`a 35◦C, le fer montera`a 116◦C.Universit´e de Gen`eve 13-8 C. Leluc
La capacit´e calorifique - sans changement d"´etatJ.Black a utilis´e une autre m´ethode : la m´ethode des m´elanges. Si`a une
masse donn ´ee d"eau froide`a 5◦C vous ajoutez une quantit´e´egale d"eau`a 95◦C, le m´elange se retrouve`a une temp´erature de 50◦C. On a dans ce cas des changements de temp ´erature´egaux car on m´elange des quantit´es´egales d"une m ˆeme substance. La chaleur´echang´ee par le syst`eme 1 intitialement chaud est :Q1=c m1(Tf1-Ti1)avecTi1> Tf1doncQ1<0 De m ˆeme la chaleur´echang´ee par le syst`eme 2 : Q
2=c m2(Tf2-Ti2)avecTi2< Tf2doncQ2>0
Une chaleur rec¸ue par un syst
`eme est positive et une chaleur perdue est n´egative; soit ici :-Q1=Q2. Commem1=m2,
-c(Tf1-95◦C) =c(Tf2-5◦C)Le syst
`eme´etant isol´e, l"´energie totale doit rester inchang´ee. A l"´equilibre T f1=Tf2=Tf=12(95◦C+ 5,0◦C).Lorsque les diverses parties d"un syst
`eme isol´e se trouvent`a des temp ´eratures diff´erentes, la chaleur se transmet de la plus chaude`a la plus froide. Aucune ´energie ne peut s"en´echapper, donc la quantit´e de chaleur perdue par une partie du syst `eme est enti`erement r´ecup´er´ee par une autre.chaleur perdue =chaleur r´ecup´er´ee.Universit´e de Gen`eve 13-9 C. LelucCapacit´e calorifique massiqueTableau de capaciti´es calorifiques massiques`a 0◦C.L"eau poss`ede une des capacit´es calorifiques les plus´elev´ees.L"eau chauffe lentement et se refroidit lentement.Mat´eriauc(kJ/(kg·K))c(kcal/(kg·K))Glace (eau,-5◦)2,10,50Plomb0,1280,031Aluminium0,9000,21Cuivre0,390,093Fer0,470,11Verre0,8400,20Mercure0,1400,033Eau4,1861Helium5,1801,237Vapeur d"eau (110◦)2,010,481Air(100◦C)1,00,24Universit´e de Gen`eve 13-10 C. Leluc
Exemple : capacit´e calorifiqueOn verse 200 cm3de th´e`a 95◦C dans une tasse en verre de 300 g, initia-
lement `a 25◦C. D´eterminer la temp´erature finale,T, de ce syst`eme lorsqu"il atteint l" ´equilibre en supposant qu"aucune chaleur ne s"´echappe dans le milieu ext´erieur??
SOLUTION : La chaleur perdue par le th
´e vaut :
Q1=mthecthe(T-95◦C)<0La chaleur r´ecup´er´ee par la tasse vaut :
Q2=mtassectasse(T-25◦C)>0Comme-Q1=Q2, soit-mthecthe(T-95◦C) =mtassectasse(T-25◦C)
-(0,20kg)(1,00kcal/kg.◦C)(T-95◦C) = (0,30kg)(0,20kcal/kg.◦C)(T-25◦C)19-0,20T= 0,060T-1,5
T= 79◦C
valeur comprise entre 25 ◦C et 95◦C.Universit´e de Gen`eve 13-11 C. Leluc Calorim`etreDans toutes les exp´eriences sur les´echanges thermiques, on suppose impli- citement qu"il n"y a aucune perte de chaleur.Pour que cela soit r´ealit´e, on utilise uncalo- rim `etre: c"est un r´ecipient`a 2 parois s´epar´ees par du vide ce qui empˆeche pratiquement tout
echange de chaleur avec l"ext´erieur. On utilise un vase calorim´etrique m´etallique mince, de
faible capacit´e calorifique et de petite masse pour
contenir le liquide. Ce vase change facilement de temp ´erature mais emmagasine tr`es peu d"´energie thermique. Tout comme la feuille d"aluminium qu"on utilise pour la cuisson.Pour d
´eterminer la capacit´e calorifique d"un´echantillon, on le porte`a une temp ´erature donn´ee puis on le plonge dans l"eau du calorim`etre. De l"´el´evation de temp´erature, on en d´eduit la capacit´e calorifique massiquec.Universit´e de Gen`eve 13-12 C. Leluc
Exemple du calorim`etreUn calorim`etre form´e d"un vase calorim´etrique de masse 150g en cuivre
et contenant 500g d"eau, est `a une temp´erature de 20,0◦C. Un bloc solide, de 225 g d"une substance non identifi´ee`a 508◦C, est plong´e dans l"eau
et on couvre le dispositif. Apr `es quelques minutes, le syst`eme atteint une temp ´erature constante de 40,0◦C. D´eterminer la capacit´e calorifique mas- sique du bloc.SOLUTION : La variation de temp
´erature est la mˆeme en degr´es qu"en kelvins.La chaleur c
´ed´ee par l"´echantillon est´egaleen valeur absolue`a la chaleur rec¸ue par l"eau et le vase :-Qb=Qeau+Qcu -(0,225kg)(cb)(40◦C-508◦C) = (0,500kg)(4186J/kg.K)(20K) +(0,150kg)(390J/kg.K)(20K) D"o `u105,3cb= (41860 + 1170)J/Kg.K
La chaleur calorifique estcb= 409J.kg-1·K-1Universit´e de Gen`eve 13-13 C. LelucChangement d"´etat : chaleur latente de fusionEn changeant la temp´erature d"un´echantillon, on peut modifier son´etat :
on parle de changement de phase (voir page 12-16). J.Black´etablit
exp ´erimentalement que lorsqu"un solide est chauff´e jusqu"`a son point de fusion, l"addition continue et lente de chaleur `a la mati`ere provoque sa liqu ´efaction progressive`a temp´erature constante. C"est seulement apr`es la fusion compl `ete, que la temp´erature recommence`a monter.La quantit
´e de chaleur n´ecessaire pour faire passer 1kg de substance,`a son point de fusion, de l" ´etat solide`a l"´etat liquide estla chaleur latente de fusion L la solidification. Au point de fusion, la chaleur latente n"accroˆıt pas l"´energie
cin ´etique (et la temp´erature) des mol´ecules : elle sert`a surmonter l"´energie potentielle due aux forces intermol ´eculaires. L"´energie associ´ee`a la chaleur latente lib `ere les mol´ecules des liaisons rigides de l"´etat solide, leur permettant de s"´eloigner l´eg`erement les unes des autres.
Comme de la chaleur doit
ˆetre fournie`a un corps pour qu"il d´eg`ele, la fusion conduit `a un refroidissement de son voisinage. Par contre si une substance g `ele, elle c`ede de la chaleur`a l"environnement.Universit´e de Gen`eve 13-14 C. LelucExemple : Chaleur latente de fusionUn r´ecipient, contenant 0,250 kg d"eau`a 20◦C est plac´e dans le compartiment
de cong ´elation d"un r´efrig´erateur. Quelle est la chaleur qu"il faut retirer de l"eau pour la transformer en glace `a 0◦C?SOLUTION : La chaleur
`a extraire de l"eau doit pouvoir refroidir l"eau de 20◦C a 0◦C puis la congeler. Les 2´etapes correspondent`a la quantit´e de chaleur :Q=ceaumeau(Tf
eau-Ti eau) + (-meauLf) Q= (4,2kJ/kg.K)(0,250kg)(0◦C-20◦C)-(0,250kg)(334kJ/kg) =-21kJ-83,5kJ=-104,5kJ Il faut donc extraire 1,05×105Joules.Universit´e de Gen`eve 13-15 C. LelucChangement d"´etat : chaleur latente de vaporisationLavaporisationest la transformation d"un liquide en gaz. Le produit r´esultant
est appel ´evapeurparce qu"il s"´ecarte radicalement du comportement des gaz parfaits. Comme dans le cas de la fusion, on doit fournir de l"´energie aux
mol ´ecules pour les lib´erer de la coh´esion de l"´etat liquide. La vaporisation est m ˆeme un changement plus important qui n´ecessite une grande quantit´e d"´energie.
On d ´efinit la chaleur latente de vaporisation,Lv, comme la quantit´e d"´energie thermique n ´ecessaire pour transformer en vapeur 1 kilogramme d"un liquide a temp´erature constante ou bien la quantit´e d"´energie thermique qu"il faut ex- traire de 1 kilogramme de vapeur pour le condenser dans les mˆemes condi-
tions. Cette temp´erature est habituellement le point d"´ebullition.Q=±m LvLa chaleur latente de vaporisation diminue quandTaugmente : par exemple
pour l"eau `a 33◦, elle vaut 2,42×103kJ/kg (578 kcal/kg) et`a 100◦, elle est de2,259×103kJ/kg (539 kcal/kg).Universit´e de Gen`eve 13-16 C. Leluc
Changement d"´etat : r´esum´eValeurs approch´ees des chaleurs latentes de fusion,Lfet de vaporisation,
Lv`a une pression de 1 atm. On remarque queLv> Lf.SubstancePoint de fusionLfPoint d"´ebullitionLv(◦C)(kJ/kg)(◦C)(kJ/kg)Cuivre108320523365069Or106366,626001578Alcool´ethylique-11410478854Eau0,0333,7100,02259Mercure-38,8711,8356,58296Azote-209,8625,5-195,81199Hydrog`ene-259,3158,6-252,89452H´elium-269,655,23-268,9321Universit´e de Gen`eve 13-17 C. Leluc
Exemple : Transformation de la glace en vapeur d"eauQuelle est la quantit´e de chaleur n´ecessaire pour transformer, sous la pression
atmosph ´erique 1,0 kg de glace`a -10◦C en vapeur surchauff´ee`a 110◦C?SOLUTION : Nous devons
´elever la temp´erature de la glace`a 0◦C, la faire fondre, ´elever la temp´erature de l"eau`a 100◦C, la vaporiser et´elever la temp ´erature de la vapeur d"eau`a 110◦C.Chaque´etape a sa propre capacit´e calorifique.Q=m cgΔTg+m Lf+m ceΔTe+m Lv+m cvΔTv
Nous obtenons apr
`es avoir mismen facteur :Q= (1,0kg)[(2,1kJ/kg.K)(0◦C-(-10◦C))
+(334kJ/kg) + (4,2kJ/kg.K)(100◦C-0◦C) +(2,26×103kJ/kg) + (2,0kJ/kg.K)(110◦C-100◦C)]SoitQ= 21kJ+ 334kJ+ 420kJ+ 2260kJ+ 20kJ= 3055kJ
Notons que la plus grande partie de cette
´energie sert
a transformer l"eau en vapeur.Universit´e de Gen`eve 13-18 C. Leluc EvaporationLa vaporisation est la transformation d"un liquide en vapeur. Ce changement de liquide en vapeur `a une temp´erature inf´erieure au point d"´ebullition, qui se produit continuellement `a la surface libre des liquides, est appel´e evaporation. Un liquide se compose d"un grand nombre de mol´ecules en agitation permanente avec une distribution d"´energie cin´etique qui res-
semble `a celle d"un gaz. Seules les mol´ecules ayant une´energie cin´etique sup ´erieure`a une certaine valeur peuvent s"´echapper du liquide et passer`a l" ´etat gazeux. Certaines mol´ecules le quittent, d"autres retournent au liquide.Le nombre de mol
´ecules pass´ees`a l"´etat de vapeur
s"accro ˆıt pendant un certain temps jusqu"`a ce que la quantit ´e de mol´ecules qui retournent`a l"´etat li- quide soit ´egale`a la quantit´e de mol´ecules qui s"en echappent dans un intervalle de temps donn´e. Il se cr ´ee ainsi un´equilibre et l"espace devientsatur´e. La pression qui s"exerce au-dessus du liquide s"ap- pellepression de vapeur satur´ee. Elle d´epend de la temp´erature. Tant que la pression de vapeur au-
dessus du liquide est inf´erieure`a la pression de
vapeur satur´ee qui correspond`a cette temp´erature,
l" ´evaporation continue.Universit´e de Gen`eve 13-19 C. LelucEvaporationLa pression de vapeur satur´ee d"un liquide augmente avec la temp´eraturecomme illustr´e dans ce tableau pour l"eau.Temp´eraturePression de vapeur satur´ee(◦C)(Pa)06,11×102501,23×104703,12×1041001,01×1051201,99×1051504,76×105D"apr`es la th´eorie cin´etique, le nombre de ces particules´energ´etiques aug-
mente avec la temp ´erature : plus la temp´erature s"´el`eve, plus l"´evaporation s"acc ´el`ere. Si les mol´ecules les plus rapides quittent le liquide, la vitesse moyenne de celles qui restent diminue, entrainant un abaissement de la temp ´erature.L"´evaporation constitue donc un processus de refroidis- sement.On peut le constater au sortir d"une douche chaude lorsque l" ´evaporation des gouttes d"eau sur le corps donne froid ou encore, par une chaude journ´ee, lorsqu"on est en sueur et que la plus petite brise rafraˆıchit.Universit´e de Gen`eve 13-20 C. Leluc
EbullitionLa pression de vapeur d"un liquide augmente avec la temp´erature.Lorsque celle-ci s"
´el`eve au point o`u la pression de vapeur est´egale`a la pression ext´erieure, il y a´ebullition.
Ce ph ´enom`ene peut se d´ecrire comme suit. Alors qu"un liquide se rapproche de son point d" ´ebullition, de petites bulles tendent`a s"y former; elles d´enotent le passage de l" ´etat liquide`a l"´etat vapeur. Toutefois, tant que la pression de vapeur `a l"int´erieur des bulles reste inf´erieure`a celle de l"ext´erieur, elles sont imm ´ediatement´ecras´ees. A mesure que la temp´erature s"´el`eve, leur pression de vapeur devient peu `a peu´egale et mˆeme sup´erieure`a la pression am- biante; au lieu de dispara ˆıtre, elles grossissent et montent`a la surface , mar- quant le d ´ebut de l"´ebullition. (La pression de vapeur d"eau qui est de 0,006 atm `a 0◦C s"´el`eve`a 0,2 atm`a 60◦C et atteint 1 atm`a 100◦C.)Si de la chaleur est continuellement fournie
`a l"eau, elle continue`a bouillir et si on augmente le feu sous la casserole, on augmente la vitesse de vaporisation, sans changer la temp ´erature de l"eau.Universit´e de Gen`eve 13-21 C. LelucEbullitionChaque kg de vapeur`a 100◦C peutˆetre utilis´e pour transporter cette´energie
de 2,3 MJ d"un endroit `a un autre. En se condensant la vapeur transf`ere son energie`a l"environnement. Mais on peut aussi surchauffer la vapeur d"eau : c"est ce qu"on fait dans les turbines.Le point d"
´ebullition d´epend, de fac¸on´evidente, de la pression ext´erieure. Dans les hauteurs, celui de l"eau est plus bas qu"au niveau de la mer car la pression atmosph ´erique est moins´elev´ee. Au sommet de l"Everest (8850m) la pression atmosph ´erique vaut 1/3 de ce qu"elle est au niveau de la mer et l"eau bout`a environ 70 ◦C. Par cons´equent la cuisson`a l"eau exige plus de temps dans ces r´egions.
On utilise le processus inverse dans l"autocuisseur : la vapeur d´egag´ee s"ac-
cumule au-dessus du liquide dans l"autocuisseur ferm´e, la pression augmente
ainsi que la temp ´erature d"´ebullition de l"eau. Le point d"´ebullition de l"eau pour une pression de 2 atm est `a 121◦C. La vitesse des r´eactions chimiques double a chaque augmentation de 10◦au-del`a de 100◦C. Ainsi cet autocuisseur per- met de diminuer significativement le temps de cuisson.Universit´e de Gen`eve 13-22 C. LelucTransfert d"´energie thermique : la conductionLes objets´echangent de l"´energie thermique avec leur voisinage de 3 fac¸ons :
1) Conduction
Lorsqu"on plonge une cuiller dans une tasse de caf´e chaud, la partie expos´ee
a l"air se r´echauffe assez rapidement mˆeme si elle n"est pas directement en contact avec la source chaude. Il y aconduction de chaleurde l"extr´emit´e chaude `a l"extr´emit´e froide. La conduction de chaleur est le r´esultat de colli- sions mol ´eculaires. Un groupe d"atomes d"´energie thermique´elev´ee transmet de l" ´energie cin´etique al´eatoire`a un groupe d"atomes voisins de plus basse energie thermique. La conduction ne se produit que lorsqu"il y a´ecart de temp´erature.
Le taux d"
´energieH(en J/s ou W) transf´er´e par
seconde`a travers une surfaceA, d"´epaisseurL:H=ΔQΔt=-kTAΔTL=-kTAT0-T1LkTest le coefficient de conductivit´e thermique en
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