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Chimie

Cours : Chimie > Chapitre 4

Leçon 3: Réactions chimiques et énergie thermique

Chaleur et température

Chaleur et température

Le sens du terme "chaleur" en thermodynamique et comment calculer une quantité de chaleur échangée à partir d'une capacité thermique.

Points clés

La chaleur, notée start text, q, end text, est de l'énergie thermique, transmise d'un système chaud à un système moins chaud, s'ils sont en contact.
La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des atomes ou des molécules du système.
Le principe zéro de la thermodynamique stipule qu'il n'y a pas de transfert de chaleur entre deux corps à l'équilibre thermique ; ils ont donc la même température.
La chaleur échangée dépend de la capacité calorifique start text, C, end text, de la masse du système start text, m, end text et de la différence de température delta, start text, T, end text selon l'équation :

start text, q, end text, equals, start text, m, end text, times, start text, C, end text, times, delta, start text, T, end text

La chaleur en thermodynamique

Qu'est-ce qui contient le plus de chaleur : une tasse de café chaud ou un verre de thé glacé ? En cours de chimie, c'est une question piège : en thermodynamique, la chaleur a une signification précise, différente de celle du langage courant. Les scientifiques définissent la chaleur comme l'énergie thermique échangée entre deux systèmes qui ont des températures différentes et qui sont en contact. On désigne la chaleur par le symbole q ou Q, et elle s'exprime en Joules (start text, J, end text).

La chaleur est parfois vue comme une variable de transfert, car elle n'est définie que comme une fonction qui permet un transfert d'énergie entre deux systèmes. La chaleur contenue dans une tasse de café ne se mesure pas, on ne peut parler que de la chaleur transférée depuis la tasse de café chaud vers la main qui la tient. Par ailleurs, la chaleur est une variable extensive. Ainsi, le changement de température dû au transfert de chaleur vers un système dépend du nombre de molécules présentes dans le système.

La relation entre chaleur et température

La chaleur et la température sont deux variables différentes, mais étroitement liées. Elles s'expriment dans des unités différentes : on utilise les degrés Celsius (degrees, start text, C, end text) ou le kelvin (start text, K, end text) pour la température, alors que la chaleur, comme toute énergie, s'exprime en joules (start text, J, end text). La température est une mesure de la moyenne de l'énergie cinétique des atomes ou des molécules du système. Les molécules d'eau présentes dans une tasse de café chaud ont une énergie cinétique moyenne supérieure à celle des molécules d'eau d'un café glacé : elles bougent plus vite. Enfin, la température est une variable intensive, ce qui veut dire qu'elle ne dépend pas de la quantité de matière présente dans le système (tant que l'ensemble du système a une température homogène !). Cela permet de caractériser un corps pur par son point de fusion - la température à laquelle il fond étant une propriété de ce corps, peu importe la masse du système.

Au niveau atomique, les molécules sont en permanence en mouvement, et entrent en collision les unes avec les autres. À chaque collision, de l'énergie cinétique peut être transférée. Quand deux systèmes sont en contact, de la chaleur est transférée par ces collisions, du système le plus chaud au système le plus froid. Le flux d'énergie thermique se fait dans ce sens jusqu'à ce que les deux systèmes soient à la même température. Quand deux systèmes en contact sont à la même température, on dit qu'ils sont à l'équilibre thermique.

Principe zéro de la thermodynamique : définition de l'équilibre thermique

Le principe zéro de la thermodynamique définit l'équilibre thermique dans un système isolé. Il établit que si deux objets à l'équilibre thermique sont en contact, aucun transfert de chaleur ne se produit entre eux ; ces deux corps sont donc à la même température. Un autre énoncé de ce principe consiste à dire que si deux objets sont, chacun, à l'équilibre thermique avec un troisième, alors ils sont à l'équilibre thermique entre eux.

Le principe zéro nous permet de mesurer la température des objets. À chaque fois qu'on utilise un thermomètre, on a recours à ce principe. Par exemple, quand on mesure la température de l'eau d'un bain : pour effectuer correctement la mesure, on attend que le thermomètre se stabilise. On attend donc que le thermomètre et l'eau atteignent l'équilibre thermique ! À l'équilibre thermique, la température du réservoir du thermomètre et de l'eau du bain sont les mêmes, et il n'y a plus de transfert de chaleur dans un sens ou dans l'autre (à condition qu'il n'y ait pas de pertes vers l'environnement).

Capacité thermique : lien entre chaleur et changement de température

Comment mesurer la chaleur ? Reprenons ce que l'on a appris jusqu'ici :

Quand un système reçoit ou perd de la chaleur, l'énergie cinétique moyenne de ses molécules varie. Ainsi, le transfert de chaleur implique une variation de la température du système pour autant que le système ne subisse pas de changement d'état.
La variation de température d'un système due au transfert de chaleur dépend du nombre de molécules de ce système.

Pour mesurer le changement de température d'un système, on utilise un thermomètre. Mais comment utiliser ce changement de température pour calculer la quantité de chaleur transférée ?

Pour déterminer comment un transfert de chaleur affecte la température du système, il faut connaître au moins 2 choses :

Le nombre de molécules du système
La capacité thermique du système

La capacité thermique nous donne la quantité d'énergie nécessaire pour faire varier la température d'une substance, en-dehors de tout changement d'état. On la trouve principalement sous deux formes. La capacité thermique spécifique (appelée aussi chaleur spécifique), de symbole start text, c, end text ou start text, C, end text, représente la quantité d'énergie nécessaire pour augmenter de 1, space, degrees, start text, C, end text ou 1, start text, K, end text la température d'un gramme d'une substance. Cette capacité thermique spécifique s'exprime en start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, g, end text, dot, start text, K, end text, end fraction. La capacité thermique molaire, start text, C, end text, start subscript, start text, m, end text, end subscript ou start text, C, end text, start subscript, start text, m, o, l, end text, end subscript, indique la quantité d'énergie nécessaire pour augmenter de 1, space, degrees, start text, C, end text ou 1, start text, K, end text la température d'une mole d'une substance, et s'exprime en start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, m, o, l, end text, dot, start text, K, end text, end fraction. Par exemple, la capacité thermique du plomb peut être donnée sous forme de capacité thermique spécifique, c, equals, 0, comma, 129, start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, g, end text, dot, start text, K, end text, end fraction, ou sous forme de capacité thermique molaire, start text, C, end text, start subscript, start text, m, end text, end subscriptequals, 26, comma, 65, start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, m, o, l, end text, dot, start text, K, end text, end fraction.

[Pourquoi des substances différentes ont-elles des capacités thermiques différentes?]

Calcul de start text, q, end text grâce à la capacité thermique

La capacité thermique permet de déterminer la chaleur échangée, en utilisant la formule suivante :

start text, q, end text, equals, start text, m, end text, times, start text, C, end text, times, delta, start text, T, end text

où start text, m, end text est la masse de la substance (en grammes), start text, C, end text la capacité thermique spécifique, et delta, start text, T, end text la variation de température lors du transfert de chaleur. Puisque la masse et la capacité thermique ne prennent que des valeurs positives, le signe de start text, q, end text ne dépend que du signe de delta, start text, T, end text. delta, start text, T, end text est donné par :

delta, start text, T, end text, equals, start text, T, end text, start subscript, start text, f, i, n, a, l, e, end text, end subscript, minus, start text, T, end text, start subscript, start text, i, n, i, t, i, a, l, e, end text, end subscript

où start text, T, end text, start subscript, start text, f, i, n, a, l, e, end text, end subscript et start text, T, end text, start subscript, start text, i, n, i, t, i, a, l, e, end text, end subscript peuvent s'exprimer aussi bien enspace, degrees, start text, C, end text qu'en start text, K, end text. On voit donc que si start text, q, end text est positive (l'énergie du système augmente), la température du sytème augmente puisque start text, T, end text, start subscript, start text, f, i, n, a, l, e, end text, end subscript, is greater than, start text, T, end text, start subscript, start text, i, n, i, t, i, a, l, e, end text, end subscript. Si start text, q, end text est négative (le système perd de l'énergie), alors la température du système diminue et start text, T, end text, start subscript, start text, f, i, n, a, l, e, end text, end subscript, is less than, start text, T, end text, start subscript, start text, i, n, i, t, i, a, l, e, end text, end subscript.

Exemple : Refroidissement d'une tasse de thé

Soit une tasse de 250, start text, m, L, end text de thé chaud qui doit être refroidi avant qu'on ne puisse le boire. Le thé a une température initiale de 370, start text, K, end text, et on veut le refroidir jusqu'à 350, start text, K, end text. Quelle est la quantité d'énergie thermique qui doit être transférée, de la tasse de thé à son environnement ?

Considérons que le thé est principalement de l'eau, pour pouvoir utiliser la masse volumique et la capacité thermique de l'eau dans nos calculs. La capacité thermique spécifique de l'eau est de 4, comma, 18, start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, g, end text, dot, start text, K, end text, end fraction, et sa masse volumique est de 1, comma, 00, start fraction, start text, g, end text, divided by, start text, m, L, end text, end fraction. On calcule l'énergie transférée en plusieurs étapes :

1. Calculer la masse du système

On détermine la masse de thé/d'eau en utilisant le volume donné et la masse volumique de l'eau

start text, m, end text, equals, 250, start cancel, start text, m, L, end text, end cancel, times, 1, comma, 00, start fraction, start text, g, end text, divided by, start cancel, start text, m, L, end text, end cancel, end fraction, equals, 250, start text, g, end text

2. Calculer la variation de température, delta, start text, T, end text

On détermine la variation de température, delta, start text, T, end text, à partir des températures finale et initiale :

$\begin{aligned}\Delta \text T&=\text T_{\text{finale}}-\text T_{\text{initiale}}\\ \\ &=350\,\text K-370\,\text K\\ \\ &=-20\,\text K\end{aligned}$

Puisque la température du système (le thé) diminue et que delta, start text, T, end text est négative, start text, q, end text sera aussi négative puisque notre système perd de l'énergie thermique.

3. Déterminer start text, q, end text

On peut maintenant déterminer la quantité de chaleur perdue par le thé en utilisant la formule :

$\begin{aligned}\text q &= \text {m} \times \text C \times \Delta \text T\\ &=250\,\cancel{\text g} \times4{,}18\,\dfrac{\text J}{\cancel{\text g} \cdot \cancel{\text K}} \times -20\,\cancel{\text K}\\ &=-21000\,\text J\end{aligned}$

On a déterminé que le thé transmettait 21000, start text, J, end text d'énergie à l'environnement quand il refroidit de 370, start text, K, end text à 350, start text, K, end text.

Conclusions

En thermodynamique, la chaleur et la température sont deux concepts étroitement liés, et définis précisément.

La chaleur, start text, q, end text, est l'énergie thermique transmise d'un système chaud à un système moins chaud, et qui sont en contact.
La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des atomes ou des molécules du système.
Le principe zéro de la thermodynamique stipule qu'il n'y a pas d'échange de chaleur entre deux corps à l'équilibre thermique ; que ces corps sont donc à la même température.
On détermine la chaleur transmise ou absorbée par un système grâce à la chaleur spécifique start text, C, end text, la masse du système start text, m, end text, et la variation de sa température delta, start text, T, end text selon :