ÉCHANGE DE CHALEUR.
1. Échange de chaleur.
Échange de chaleur ou transfert de chaleur est le processus de transfert de l’énergie interne d’un corps à un autre sans effectuer de travail.
Il existe trois types de transfert de chaleur.
1) Conductivité thermique- Il s'agit d'un échange thermique entre les corps lors de leur contact direct.
2) Convection- Il s'agit d'un échange de chaleur dans lequel la chaleur est transférée par des flux de gaz ou de liquide.
3) Radiation– Il s’agit d’un échange de chaleur par rayonnement électromagnétique.
2. Quantité de chaleur.
La quantité de chaleur est une mesure de la variation de l’énergie interne d’un corps lors d’un échange thermique. Désigné par la lettre Q.
Unité de mesure de la quantité de chaleur = 1 J.
La quantité de chaleur reçue par un corps d'un autre corps à la suite d'un échange de chaleur peut être dépensée pour augmenter la température (augmentation de l'énergie cinétique des molécules) ou modifier l'état d'agrégation (augmentation de l'énergie potentielle).
3. Capacité thermique spécifique de la substance.
L'expérience montre que la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps de masse m de la température T 1 à la température T 2 est proportionnelle à la masse du corps m et à la différence de température (T 2 - T 1), c'est-à-dire
Q = cm(T. 2 -T 1 ) = smΔ T,
Avec est appelée la capacité thermique spécifique de la substance du corps chauffé.
La capacité thermique spécifique d'une substance est égale à la quantité de chaleur qui doit être transmise à 1 kg de substance pour la chauffer de 1 K.
Unité de mesure de la capacité thermique spécifique =.
Les valeurs de capacité thermique de diverses substances peuvent être trouvées dans des tableaux physiques.
Exactement la même quantité de chaleur Q sera libérée lorsque le corps sera refroidi de ΔT.
4. Chaleur spécifique de vaporisation.
L'expérience montre que la quantité de chaleur nécessaire pour transformer un liquide en vapeur est proportionnelle à la masse du liquide, c'est-à-dire
Q = Lm,
où est le coefficient de proportionnalité L est appelée la chaleur spécifique de vaporisation.
La chaleur spécifique de vaporisation est égale à la quantité de chaleur nécessaire pour transformer 1 kg de liquide à ébullition en vapeur.
Une unité de mesure pour la chaleur spécifique de vaporisation.
Au cours du processus inverse, la condensation de la vapeur, la chaleur est libérée dans la même quantité que celle dépensée pour la formation de vapeur.
5. Chaleur spécifique de fusion.
L'expérience montre que la quantité de chaleur nécessaire pour transformer un solide en liquide est proportionnelle à la masse du corps, c'est-à-dire
Q = λ m,
où le coefficient de proportionnalité λ est appelé chaleur spécifique de fusion.
La chaleur spécifique de fusion est égale à la quantité de chaleur nécessaire pour transformer un corps solide pesant 1 kg en liquide au point de fusion.
Unité de mesure de la chaleur spécifique de fusion.
Au cours du processus inverse, la cristallisation du liquide, la chaleur est libérée dans la même quantité que celle dépensée pour la fusion.
6. Chaleur spécifique de combustion.
L'expérience montre que la quantité de chaleur dégagée lors de la combustion complète du carburant est proportionnelle à la masse du carburant, c'est-à-dire
Q = qm,
Où le coefficient de proportionnalité q est appelé chaleur spécifique de combustion.
La chaleur spécifique de combustion est égale à la quantité de chaleur dégagée lors de la combustion complète de 1 kg de carburant.
Unité de mesure de la chaleur spécifique de combustion.
7. Équation du bilan thermique.
L'échange de chaleur implique deux corps ou plus. Certains corps dégagent de la chaleur tandis que d’autres en reçoivent. L'échange de chaleur se produit jusqu'à ce que les températures des corps deviennent égales. Selon la loi de conservation de l’énergie, la quantité de chaleur émise est égale à la quantité reçue. Sur cette base, l'équation du bilan thermique est écrite.
Regardons un exemple.
Un corps de masse m 1, dont la capacité thermique est c 1, a une température T 1, et un corps de masse m 2, dont la capacité thermique est c 2, a une température T 2. De plus, T 1 est supérieur à T 2. Ces corps sont mis en contact. L'expérience montre qu'un corps froid (m 2) commence à se réchauffer et qu'un corps chaud (m 1) commence à se refroidir. Cela suggère qu'une partie de l'énergie interne du corps chaud est transférée au corps froid et que les températures sont égalisées. Notons la température globale finale par θ. 
La quantité de chaleur transférée d'un corps chaud à un corps froid
Q transféré. = c 1 m 1 (T. 1 – θ )
La quantité de chaleur reçue par un corps froid d'un corps chaud
Q reçu. = c 2 m 2 (θ – T 2 )
Selon la loi de conservation de l'énergie Q transféré. = Q reçu., c'est à dire.
c 1 m 1 (T. 1 – θ )= c 2 m 2 (θ – T 2 )
Ouvrons les parenthèses et exprimons la valeur de la température totale en régime permanent θ.
Dans ce cas, nous obtenons la valeur de température θ en kelvins.
Cependant, puisque Q est passé dans les expressions. et Q est reçu. est la différence entre deux températures, et elle est la même en Kelvin et en degrés Celsius, alors le calcul peut être effectué en degrés Celsius. Alors
Dans ce cas, nous obtenons la valeur de température θ en degrés Celsius.
L'égalisation des températures résultant de la conductivité thermique peut être expliquée sur la base de la théorie de la cinétique moléculaire comme l'échange d'énergie cinétique entre molécules lors d'une collision au cours d'un mouvement thermique chaotique.
Cet exemple peut être illustré par un graphique. 
L'énergie interne d'un système thermodynamique peut être modifiée de deux manières :
- faire des travaux sur le système,
- en utilisant l'interaction thermique.
Le transfert de chaleur vers un corps n’est pas associé à l’exécution d’un travail macroscopique sur le corps. Dans ce cas, le changement d’énergie interne est dû au fait que les molécules individuelles d’un corps ayant une température plus élevée travaillent effectivement sur certaines molécules d’un corps ayant une température plus basse. Dans ce cas, l'interaction thermique est réalisée grâce à la conductivité thermique. Le transfert d'énergie est également possible grâce au rayonnement. Le système de processus microscopiques (relatifs non pas au corps entier, mais à des molécules individuelles) est appelé transfert de chaleur. La quantité d'énergie transférée d'un corps à un autre suite au transfert de chaleur est déterminée par la quantité de chaleur transférée d'un corps à un autre.
Définition
Chaleur est l'énergie qui est reçue (ou abandonnée) par un corps lors du processus d'échange thermique avec les corps environnants (environnement). Le symbole de la chaleur est généralement la lettre Q.
C'est l'une des grandeurs de base en thermodynamique. La chaleur est incluse dans les expressions mathématiques des première et deuxième lois de la thermodynamique. On dit que la chaleur est de l’énergie sous forme de mouvement moléculaire.
La chaleur peut être transférée au système (corps) ou elle peut en être extraite. On pense que si la chaleur est transférée au système, elle est alors positive.
Formule pour calculer la chaleur lorsque la température change
Nous désignons la quantité élémentaire de chaleur par . Notons que l'élément de chaleur que le système reçoit (donne) avec un petit changement de son état n'est pas un différentiel complet. La raison en est que la chaleur est fonction du processus de changement d’état du système.
La quantité élémentaire de chaleur transmise au système et la température passant de T à T+dT sont égales à :
où C est la capacité thermique du corps. Si le corps en question est homogène, alors la formule (1) pour la quantité de chaleur peut être représentée comme suit :
où est la capacité thermique spécifique du corps, m est la masse du corps, est la capacité thermique molaire, est la masse molaire de la substance, est le nombre de moles de la substance.
Si le corps est homogène et que la capacité thermique est considérée comme indépendante de la température, alors la quantité de chaleur () que le corps reçoit lorsque sa température augmente d'un certain montant peut être calculée comme suit :
où t 2, t 1 températures corporelles avant et après chauffage. Veuillez noter que lorsque vous recherchez la différence () dans les calculs, les températures peuvent être remplacées à la fois en degrés Celsius et en kelvins.
Formule pour la quantité de chaleur pendant les transitions de phase
Le passage d'une phase d'une substance à une autre s'accompagne de l'absorption ou du dégagement d'une certaine quantité de chaleur, appelée chaleur de transition de phase.
Ainsi, pour transférer un élément de matière d'un état solide à un liquide, il faut lui donner une quantité de chaleur () égale à :
où est la chaleur spécifique de fusion, dm est l'élément de masse corporelle. Il faut tenir compte du fait que le corps doit avoir une température égale au point de fusion de la substance en question. Lors de la cristallisation, une chaleur dégagée égale à (4).
La quantité de chaleur (chaleur d’évaporation) nécessaire pour convertir un liquide en vapeur peut être trouvée comme suit :
où r est la chaleur spécifique d’évaporation. Lorsque la vapeur se condense, de la chaleur est libérée. La chaleur d’évaporation est égale à la chaleur de condensation de masses égales de substance.
Unités de mesure de la quantité de chaleur
L'unité de mesure de base de la quantité de chaleur dans le système SI est : [Q]=J
Unité de chaleur extra-système, que l'on retrouve souvent dans les calculs techniques. [Q]=cal (calories). 1 cal = 4,1868 J.
Exemples de résolution de problèmes
Exemple
Exercice. Quels volumes d'eau faut-il mélanger pour obtenir 200 litres d'eau à une température de t = 40C, si la température d'une masse d'eau est t 1 = 10 C, la température de la deuxième masse d'eau est t 2 = 60 C ?
Solution.Écrivons l'équation du bilan thermique sous la forme :
où Q=cmt est la quantité de chaleur préparée après avoir mélangé l'eau ; Q 1 = cm 1 t 1 - la quantité de chaleur d'une partie de l'eau avec une température t 1 et une masse m 1 ; Q 2 = cm 2 t 2 - la quantité de chaleur d'une partie de l'eau avec une température t 2 et une masse m 2.
De l’équation (1.1) il résulte :
En combinant des parties d'eau froide (V 1) et chaude (V 2) en un seul volume (V), nous pouvons supposer que :
On obtient donc un système d'équations :
Après l'avoir résolu, nous obtenons :
Qu'est-ce qui chauffera plus rapidement sur la cuisinière : une bouilloire ou un seau d'eau ? La réponse est évidente : une théière. Alors la deuxième question est pourquoi ?
La réponse n'est pas moins évidente : car la masse d'eau dans la bouilloire est moindre. Super. Et maintenant, vous pouvez vivre vous-même une véritable expérience physique à la maison. Pour ce faire, vous aurez besoin de deux petites casseroles identiques, d'une quantité égale d'eau et d'huile végétale, par exemple un demi-litre chacune et d'une cuisinière. Placer les casseroles avec l'huile et l'eau sur le même feu. Maintenant, regardez simplement ce qui va chauffer plus rapidement. Si vous disposez d'un thermomètre pour liquides, vous pouvez l'utiliser ; sinon, vous pouvez simplement tester la température avec votre doigt de temps en temps, en faisant juste attention à ne pas vous brûler. Dans tous les cas, vous verrez bientôt que l’huile chauffe beaucoup plus vite que l’eau. Et encore une question, qui peut également être mise en œuvre sous forme d'expérience. Qu'est-ce qui bout plus vite : de l'eau tiède ou froide ? Tout est à nouveau évident : le chaud sera le premier à la ligne d'arrivée. Pourquoi toutes ces questions et expériences étranges ? Déterminer la grandeur physique appelée « quantité de chaleur ».
Quantité de chaleur
La quantité de chaleur est l’énergie qu’un corps perd ou gagne lors du transfert de chaleur. Cela ressort clairement du nom. Lors du refroidissement, le corps perdra une certaine quantité de chaleur et lors du chauffage, il l'absorbera. Et les réponses à nos questions nous ont montré De quoi dépend la quantité de chaleur ? Premièrement, plus la masse d’un corps est grande, plus la quantité de chaleur qui doit être dépensée pour modifier sa température d’un degré est importante. Deuxièmement, la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps dépend de la substance qui le compose, c'est-à-dire du type de substance. Et troisièmement, la différence de température corporelle avant et après le transfert de chaleur est également importante pour nos calculs. Sur la base de ce qui précède, nous pouvons déterminez la quantité de chaleur à l'aide de la formule :
où Q est la quantité de chaleur,
m - poids corporel,
(t_2-t_1) - la différence entre les températures corporelles initiale et finale,
c est la capacité thermique spécifique de la substance, trouvée dans les tableaux correspondants.
En utilisant cette formule, vous pouvez calculer la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps ou que ce corps dégagera lors du refroidissement.
La quantité de chaleur se mesure en joules (1 J), comme tout type d'énergie. Cependant, cette valeur a été introduite il n’y a pas si longtemps et les gens ont commencé à mesurer la quantité de chaleur beaucoup plus tôt. Et ils ont utilisé une unité largement utilisée à notre époque : la calorie (1 cal). 1 calorie est la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 1 gramme d’eau de 1 degré Celsius. Guidés par ces données, ceux qui aiment compter les calories contenues dans les aliments qu'ils consomment peuvent, pour s'amuser, calculer combien de litres d'eau peuvent être bouillis avec l'énergie qu'ils consomment avec les aliments pendant la journée.
Objectif d'apprentissage : Introduire les concepts de quantité de chaleur et de capacité thermique spécifique.
Objectif de développement : Cultiver l’attention ; apprendre à réfléchir, à tirer des conclusions.
1. Mise à jour du sujet
2. Explication du nouveau matériel. 50 minutes.
Vous savez déjà que l'énergie interne d'un corps peut changer à la fois par l'exécution d'un travail et par le transfert de chaleur (sans effectuer de travail).
L’énergie qu’un corps gagne ou perd lors du transfert de chaleur est appelée quantité de chaleur. (écrire dans un cahier)
Cela signifie que les unités de mesure de la quantité de chaleur sont également les Joules ( J).
Nous menons une expérience : deux verres dans l'un avec 300 g d'eau, et dans l'autre avec 150 g, et un cylindre de fer pesant 150 g. Les deux verres sont posés sur le même carreau. Après un certain temps, les thermomètres montreront que l'eau dans le récipient dans lequel se trouve le corps se réchauffe plus rapidement.
Cela signifie que chauffer 150 g de fer nécessite moins de chaleur que chauffer 150 g d’eau.
La quantité de chaleur transférée à un corps dépend du type de substance à partir de laquelle le corps est constitué. (écrire dans un cahier)
Nous posons la question : faut-il la même quantité de chaleur pour chauffer à la même température des corps de masse égale, mais constitués de substances différentes ?
Nous menons une expérience avec l'appareil de Tyndall pour déterminer la capacité thermique spécifique.
Nous concluons: les corps constitués de substances différentes, mais de même masse, abandonnent lorsqu'ils sont refroidis et nécessitent des quantités de chaleur différentes lorsqu'ils sont chauffés du même nombre de degrés.
Nous tirons des conclusions :
1. Pour chauffer à la même température des corps de masse égale, constitués de substances différentes, différentes quantités de chaleur sont nécessaires.
2. Corps de masse égale, constitués de substances différentes et chauffés à la même température. Lorsqu'ils sont refroidis du même nombre de degrés, différentes quantités de chaleur sont libérées.
Nous concluons que la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer d’un degré une unité de masse de différentes substances varie.
Nous donnons la définition de la capacité thermique spécifique.
Une quantité physique numériquement égale à la quantité de chaleur qui doit être transférée à un corps pesant 1 kg pour que sa température change de 1 degré est appelée capacité thermique spécifique d'une substance.
Entrez l'unité de mesure de la capacité thermique spécifique : 1J/kg*degré.
Signification physique du terme : La capacité thermique spécifique montre de quelle quantité l'énergie interne de 1 g (kg) d'une substance change lorsqu'elle est chauffée ou refroidie de 1 degré.
Regardons le tableau des capacités thermiques spécifiques de certaines substances.
Nous résolvons le problème de manière analytique
Quelle quantité de chaleur est nécessaire pour chauffer un verre d'eau (200 g) de 20 0 à 70 0 C.
Pour chauffer 1 g pour 1 g, il faut 4,2 J.
Et pour chauffer 200 g par 1 g, il en faudra 200 de plus - 200 * 4,2 J.
Et pour chauffer 200 g de (70 0 -20 0) il en faudra encore (70-20) de plus - 200 * (70-20) * 4,2 J
En remplaçant les données, nous obtenons Q = 200 * 50 * 4,2 J = 42 000 J.
Écrivons la formule résultante en termes des quantités correspondantes
4. Qu'est-ce qui détermine la quantité de chaleur reçue par un corps lorsqu'il est chauffé ?
Veuillez noter que la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps est proportionnelle à la masse du corps et à la variation de sa température.
Il existe deux cylindres de même masse : le fer et le laiton. La même quantité de chaleur est-elle nécessaire pour les chauffer au même nombre de degrés ? Pourquoi?
Quelle quantité de chaleur est nécessaire pour chauffer 250 g d'eau de 20 o à 60 0 C.
Quelle est la relation entre les calories et les joules ?
Une calorie est la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 1 g d'eau de 1 degré.
1 cal = 4,19 = 4,2 J
1kcal=1000cal
1kcal=4190J=4200J
3. Résolution de problèmes. 28 minutes.
Si des cylindres de plomb, d'étain et d'acier pesant 1 kg chauffés dans de l'eau bouillante sont placés sur de la glace, ils refroidiront et une partie de la glace située en dessous fondra. Comment l’énergie interne des cylindres va-t-elle changer ? Sous lequel des cylindres la glace fondra-t-elle le plus, sous laquelle moins ?
Une pierre chauffée pesant 5 kg. En refroidissant dans l'eau de 1 degré, il lui transfère 2,1 kJ d'énergie. Quelle est la capacité thermique spécifique de la pierre ?
Lors du durcissement d'un ciseau, il était d'abord chauffé à 650 0, puis plongé dans de l'huile, où il était refroidi à 50 0 C. Quelle quantité de chaleur était libérée si sa masse était de 500 grammes.
Quelle quantité de chaleur a été utilisée pour chauffer une ébauche en acier pour le vilebrequin du compresseur pesant 35 kg de 20 0 à 1220 0 C.
Travail indépendant
Quel type de transfert de chaleur ?
Les élèves remplissent le tableau.
- L'air de la pièce est chauffé à travers les murs.
- Par une fenêtre ouverte dans laquelle entre l'air chaud.
- À travers un verre qui laisse passer les rayons du soleil.
- La terre est chauffée par les rayons du soleil.
- Le liquide est chauffé sur la cuisinière.
- La cuillère en acier est chauffée par le thé.
- L'air est chauffé par la bougie.
- Le gaz se déplace à proximité des parties génératrices de carburant de la machine.
- Chauffer un canon de mitrailleuse.
- Lait bouillant.
5. Devoirs : Peryshkin A.V. « Physique 8 » § §7, 8 ; collection de problèmes 7-8 Lukashik V.I. N° 778-780, 792 793 2 min.
(ou transfert de chaleur).
Capacité thermique spécifique d'une substance.
Capacité thermique- c'est la quantité de chaleur absorbée par un corps lorsqu'il est chauffé de 1 degré.
La capacité thermique d'un corps est indiquée par une lettre latine majuscule AVEC.
De quoi dépend la capacité thermique d’un corps ? Tout d’abord de par sa masse. Il est clair que chauffer, par exemple, 1 kilogramme d’eau nécessitera plus de chaleur que chauffer 200 grammes.
Qu’en est-il du type de substance ? Faisons une expérience. Prenons deux récipients identiques et, après avoir versé dans l'un d'eux 400 g d'eau et dans l'autre de l'huile végétale pesant 400 g, nous commencerons à les chauffer à l'aide de brûleurs identiques. En observant les lectures du thermomètre, nous verrons que l'huile chauffe rapidement. Pour chauffer l’eau et l’huile à la même température, l’eau doit être chauffée plus longtemps. Mais plus nous chauffons l’eau longtemps, plus elle reçoit de chaleur du brûleur.
Ainsi, chauffer la même masse de substances différentes à la même température nécessite différentes quantités de chaleur. La quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps et, par conséquent, sa capacité thermique dépendent du type de substance qui compose le corps.
Ainsi, par exemple, pour augmenter la température d'une eau pesant 1 kg de 1°C, il faut une quantité de chaleur égale à 4200 J, et pour chauffer la même masse d'huile de tournesol de 1°C, une quantité de chaleur égale à 1700 J sont requis.
Une grandeur physique indiquant la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 1 kg d'une substance de 1 ºС est appelée la capacité thermique spécifique de cette substance.
Chaque substance possède sa propre capacité thermique spécifique, désignée par la lettre latine c et mesurée en joules par kilogramme degré (J/(kg °C)).
La capacité thermique spécifique d'une même substance dans différents états d'agrégation (solide, liquide et gazeux) est différente. Par exemple, la capacité thermique spécifique de l’eau est de 4 200 J/(kg °C) et la capacité thermique spécifique de la glace est de 2 100 J/(kg °C) ; l'aluminium à l'état solide a une capacité thermique spécifique de 920 J/(kg - °C) et à l'état liquide - 1080 J/(kg - °C).
Notez que l’eau a une capacité thermique spécifique très élevée. Par conséquent, l'eau des mers et des océans, se réchauffant en été, absorbe une grande quantité de chaleur de l'air. Grâce à cela, dans les endroits situés à proximité de grands plans d'eau, l'été n'est pas aussi chaud que dans les endroits éloignés de l'eau.
Calcul de la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps ou dégagée par celui-ci lors du refroidissement.
De ce qui précède, il ressort clairement que la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps dépend du type de substance qui le compose (c'est-à-dire sa capacité thermique spécifique) et de la masse du corps. Il est également clair que la quantité de chaleur dépend du degré d’augmentation de la température corporelle.
Ainsi, pour déterminer la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps ou dégagée par celui-ci lors du refroidissement, il faut multiplier la capacité thermique spécifique du corps par sa masse et par la différence entre ses températures finale et initiale :
Q = cm (t 2 - t 1 ) ,
Où Q- quantité de chaleur, c- la capacité thermique spécifique, m- masse corporelle , t 1 — température initiale, t 2 — température finale.
Quand le corps se réchauffe t 2 > t 1 et donc Q > 0 . Quand le corps se refroidit t 2i< t 1 et donc Q< 0 .
Si la capacité thermique de tout le corps est connue AVEC, Q déterminé par la formule :
Q = C (t 2 - t 1 ) .
