Chaleur - lnw.lu

3IEME - LNW CHALEUR 1
CHALEUR
1) Energie interne U
a) Energie cinétique d’agitation thermique Ec
Si la température d’un corps est supérieure au zéro absolu (T = 0 K, ou  = -273°C) les
particules constituant un corps sont en mouvement désordonné les unes par rapport aux
autres. Ce mouvement chaotique est appelé agitation thermique. Pour un même corps,
l’agitation thermique est d’autant plus importante que sa température est plus élevée.
Solides : Agitation faible (les molécules oscillent autour de positions moyennes fixes
 forme invariable), faibles distances entre particules
Liquides : Agitation moyenne : les molécules se déplacent sans frottement les unes par
rapport aux autres  forme variable), faibles distances entre particules,
nombreux chocs entre particules
Gaz : Agitation importante, distances entre particules élevées, nombreux chocs entre
particules
Conclusions : 1) Tout corps possède une énergie d’agitation moléculaire
icicEE
, où
Eci est l’énergie cinétique de la molécule i.
2) Pour un même corps, Ec augmente si sa température augmente.
b) Energie réticulaire Er
L’interaction entre deux molécules i et j d’un solide, situées à la distance moyenne r = r0
l’une de l’autre est telle que:
* si r est réduit (r < r0) alors les deux molécules de repoussent ;
* si r est augmenté (r > r0) alors les deux molécules s’attirent.
Conclusions : 1) Pour réduire ou pour augmenter la distance entre deux molécules il faudra
exercer une force sur celles-ci dont le travail est moteur : il faudra leur
fournir de l’énergie.
2) L’énergie de deux molécules dans un réseau est donc minimum si r = r0.
Cette énergie est liée à la position
des molécules i et j : c’est donc une
énergie potentielle ! Elle est appelée
énergie potentielle d’interaction
moléculaire Eij.
Le niveau de référence de l’énergie
potentielle d’interaction moléculaire
est défini de la façon suivante :
Eij = 0 si la distance entre deux
molécules est infiniment grande
(molécules complètement séparées).
r
r0
Eij

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La somme des toutes les énergies potentielles d’interaction moléculaires de tous les couples
de molécules voisines i et j s’appelle énergie réticulaire Er. Compte tenu du niveau de
référence choisi Er < 0.
Conclusion : Tout corps possède une énergie réticulaire
0EE j,i ijr 
où Eij est
l’énergie potentielle d’interaction entre les deux molécules i et j
Les interactions entre molécules dépendent de l’état physique :
Solides : Interactions très importantes (forme invariable)
Liquides : Interactions importantes (formation de gouttes !)
Gaz : Interactions négligeables
c) Energie de cohésion Eco
* Pour séparer les atomes formant une molécule il faut leur fournir de l’énergie :
atomes  molécule  El < 0
El est l’énergie de liaison moléculaire
* De même : noyau + électrons  atome  Ei < 0
Ei est l’énergie d’ionisation
* De même : nucléons  noyau  En < 0
nucléons = protons et neutrons
En est l’énergie de liaison nucléaire
Conclusion : Tout corps possède une énergie de cohésion Eco = El + Ei + En < 0
d) Energie interne U
Tout corps possède une énergie interne U = Ec + Ep + Eco
On ne peut jamais connaître la valeur de U, mais on peut souvent évaluer les variations de U !

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e) Variations de U : deux exemples
Exemple 1 : Solide chauffé à l’aide d’une flamme
Les molécules de la flamme, mobiles
à grandes vitesses, entrent en
collision avec des atomes situés à la
surface du solide, et leur
transmettent une partie de leur
énergie. Les vibrations de ces
atomes s’amplifient, puis de proche
en proche, un surcroît d’agitation
gagne tous les atomes du solide : la
température augmente, en même
temps que l’énergie interne du
solide.
En effet le travail des forces
accélératrices microscopiques est
moteur, de sorte que le solide reçoit
de l’énergie de la flamme sous forme
interne : U > 0
Conclusion : L’énergie reçue (à volume constant) par des forces microscopiques
désordonnées s’appelle chaleur Q.
U = Q
Exemple 2 : Gaz rapidement comprimé
Le piston s’avançant vers les molécules du gaz enfermé exerce sur elles des forces
accélératrices. L’agitation thermique du gaz augmente : la température augmente, en même
temps que l’énergie interne du gaz.
gaz gaz
forces
microscopiques
exercées par
le piston sur
les molécules F
F = résultante
des forces
microscopiques
En effet, le travail des forces accélératrices microscopiques est moteur et égal au travail de la
résultante
F
des forces microscopiques.

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Conclusion : L’énergie reçue par des forces microscopiques ordonnées, équivalentes à
une force macroscopique
F
est égale au travail W de
F
.
U = W
Conclusion des 2 exemples :
L’énergie interne U d’un système peut varier de 2 façons différentes :
1) par échange de chaleur
2) par travail
Chaleur et travail sont donc des modes de transfert de l’énergie interne.
f) Energie totale d’un système mécanique
L’énergie totale d’un système est la somme de l’énergie mécanique (macroscopique) et de
l’énergie interne (microscopique). Etotale = E + U
2) Modes de propagation de la chaleur
a) Conduction ou contact
Si l’on chauffe une barre métallique à une extrémité, l’augmentation de température se fait
sentir rapidement à l’autre extrémité. On dit que le métal conduit la chaleur. L’interaction
entre les atomes du solide est responsable de cette propagation de proche en proche.
Lorsque le milieu est dense, les atomes sont rapprochés et la conduction se fait bien : pierre,
béton, fer, verre… Lorsque le milieu est léger, les atomes sont, en moyenne, éloignés et la
conduction se fait plus difficilement : liège, laine de verre, polystyrène expansé, air, … Le
vide constitue un cas limite : il ne transmet pas du tout la chaleur par conduction.
b) Convection
Chauffons avec une petite flamme un coin d’un
grand tube en verre de forme carrée avec de l’eau
contenant en suspension de petites paillettes ou de
la fluorescéine :
On voit se produire des mouvements dits
« courants de convection » : l’eau chaude monte
et provoque la circulation de l’eau froide vers la
partie chauffée. Des courants de convection se
produisent de la même façon dans l’air d’une
pièce, au contact d’un radiateur. Dans
l’atmosphère, les mouvements nuageux
visualisent des courants de convection à une
échelle beaucoup plus grande.

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c) Rayonnement
Le soleil nous envoie de la chaleur à travers le vide cosmique, où nulle conduction et nulle
convection ne peuvent avoir lieu. Cette chaleur nous est apportée par le rayonnement du
soleil. De manière comparable, à côté d’un feu en plein air, on reçoit de la chaleur grâce au
rayonnement (la conduction est lente à travers l’air et les courants de convection entraînent
l’air chaud vers le haut).
c) Paroi adiabatique
On appelle ainsi une paroi qui ne conduit pas du tout la chaleur. Une telle paroi n’existe pas,
mais on peut s’en approcher en utilisant des corps qui conduisent la chaleur faiblement. C’est
ainsi qu’on réalise l’isolation thermique d’un bâtiment avec de la laine de verre, du
polystyrène expansé, des doubles vitrages… Pour conserver un liquide sans que sa
température varie beaucoup, on emploie couramment une « bouteille thermos », sorte de
récipient dont la paroi est constituée par une double épaisseur de verre dans laquelle on a fait
le vide.
d) Les effets d’un échange de chaleur
 Augmentation de température : c’est l’effet le plus habituel. En première
approximation, la variation de température est
proportionnelle à la quantité de chaleur reçue.
 Changement d’état physique : par exemple, en apportant de la chaleur à une masse
d’eau dont la température est 100°C, sous la pression
atmosphérique, on provoque l’ébullition de l’eau :
passage de l’état liquide à l’état gazeux (ou état vapeur)