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Termochimica
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Catégorie: thermochimie

en physique, en particulier thermodynamique, la chaleur Elle est définie comme la contribution énergie transformé suivant une réaction chimique ou nucléaire et transféré entre deux systèmes ou entre deux parties d'un même système, non attribuable à une travail ou à une conversion entre deux types d'énergie différents. La chaleur est alors une forme d'énergie transférée et non une forme d'énergie contenue comme le 'énergie.[1]

histoire

Au cours de la première moitié de XVIIIe siècle les chercheurs ont eu recours à la substance élémentaire appelée phlogiston pour expliquer le chauffage de certains matériaux et combustion.[2]

Dans les années suivantes, les phénomènes thermiques ont été tracés à la théorie selon laquelle la chaleur était un fluide pas visible, que d'entrer dans la matière d'un corps pourrait augmenter sa température.

En dépit des études dix-septième de Boyle sur la relation entre le mouvement des particules et de la chaleur, seule la moitié de la XIXe siècle Ils ont jeté les bases de la thermodynamique, grâce aux études de Mayer (1842) et joule (1843), En ce qui concerne la quantité de chaleur et les travaux nécessaires pour l'obtenir.

Effets thermiques

Les effets du transfert de chaleur sont décrits par premier principe de la thermodynamique sous sa forme la plus générale:

où AE indique un changement de toute forme d'énergie (par exemple, énergie, cinétique, potentiel), Q représente la chaleur et W indique le travail (pour le changement de volume ou isochore). Les conséquences du passage de la chaleur peut alors être principalement de deux types: variation de l'énergie ou l'échange de travail.

Une forme particulière de l'énergie qui peut être modifié à la suite du passage de la chaleur est l'énergie interne; la variation d'énergie interne peut avoir des conséquences différentes, y compris un variation de la température ou changement d'état d'agrégation.

Si le transfert de chaleur se traduit par un changement d'état d'agrégation, cette chaleur est appelée chaleur latente,[1] tandis que si le transfert de chaleur a pour conséquence une diminution de la différence de température (puisque les deux systèmes ou deux parties d'un même système ont tendance à atteindre l'équilibre thermique) se réfère à chaleur sensible.[1]

La formule classique de chaleur sensible est:

tandis que de la chaleur latente est:

Enfin, dans le cas où le transfert de chaleur impliquant à la fois une diminution de la différence de température est un changement de phase, une telle chaleur peut être considéré comme la somme de deux contributions: une contribution par rapport à la chaleur sensible et une contribution par rapport à la chaleur latente.

Par exemple, l'élévation de la température de l'eau de 20 ° C à 50 ° C dans des conditions standard (par exemple à une pression de 1 ATM) Il est déterminé par le fait qu 'il est fourni de la chaleur sensible, tandis que, si l'eau a déjà atteint la température d'ébullition, il stocke l'énergie (sous forme de chaleur latente), maintenant sa température reste inchangée jusqu'à ce qu'il arrive le changement de phase de l'état liquide à l'état vapeur. Pour cette raison, un jet de vapeur d'eau à 100 ° C, ayant une énergie stockée lors du passage de l'état, il peut provoquer de graves brûlures plus d'eau à l'état liquide à la même température.

On parle aussi de "chaleur de réaction« Quand la chaleur est consommée ou produite par un réaction chimique.

Une mesure de l'unité de chaleur

Comme l'énergie échangée, la chaleur est mesurée en système international en joule. Dans la pratique, mais il est encore souvent utilisé comme unité de mesure calorie, laquelle elle est définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'un gramme d'eau distillée, soumis à la pression de 1 atm, à partir de 14,5 ° C à 15,5 ° C Parfois, ils utilisent aussi une des unités purement techniques, telles que kWh ou BTU.

Quelques: équivalences

kJ kWh kcal BTU[3] kgp· m
1 kJ 1 2778 × 10-4 0,2388 0,9478 1,020 × 102
1 kWh 3600 1 859,8 3412 3,671 × 105
1 kcal 4187 1,163 × 10-3 1 3968 4,269 × 102
1 BTU [3] 1,055 2,941 × 10-4 0,2519 1 1,076 × 102
1 kgp· m 9807 × 10-3 2,721 × 10-6 2,342 × 10-3 9,295 × 10-3 1

Analogie entre la chaleur et le travail

La chaleur et le travail sont des formes d'énergie ne peuvent pas être associés à l'état du système, à savoir sa configuration d'équilibre; en particulier dans le moment peuvent être reconnus les deux formes d'énergie dans laquelle « passer », « flux », il est « vrai ». Le travail identifie le moment où la force effectue un décalage (tant que le vecteur de force admet un rien composante dans la direction du déplacement), en d'autres termes, le travail circule, est réalisée, à l'instant où il se produit; ainsi que la chaleur est identifie seulement le temps de son transmis.

La chaleur, la température et l'énergie

La chaleur n'est pas une propriété liable à une configuration équilibre thermodynamique. En présence d'un gradient de température, flux de chaleur à partir de points à une température supérieure à ceux à une température plus basse, jusqu'à ce qu'il atteigne l'équilibre thermique. La quantité de chaleur échangée dépend de la voie particulière suivie de la transformation pour arriver à partir de état initial à l'état final. En d'autres termes, la chaleur est pas fonction d'état.[1]

L 'énergie il est plutôt un fonction d'état associable à une configuration d'équilibre (ou état thermodynamique) Du système, en fonction des variables d'état.

Pour la température et le sens de l'énergie (qui sont scientifiquement correct) expressions du type: "le corps a une certaine température, a une certaine énergie, acheter de l'énergie, le rendement énergétique".

En revanche, la chaleur est pas une propriété thermodynamique, donc des phrases comme "le corps possède la chaleur, libère de la chaleur, la chaleur acquiert" Ils ont pas de valeur scientifique. En fait, la chaleur est défini comme « l'énergie en transit », non pas comme « l'énergie possédée par un corps »;[1] il est « troqué » entre deux corps (ou deux parties du même corps) et non pas « par » un seul corps (comme cela arrive à la place de l'énergie interne). En particulier, les flux de chaleur en raison d'un la différence de température entre le système à l'étude et à l'environnement en interaction avec elle, et puis la chaleur ne se manifeste que dans le moment où il passe entre le système et l'environnement en raison d'une différence de température et est en aucune manière reconnaissable au sein du système et de « environnement comme une propriété intrinsèque de la même.

propagation de la chaleur

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Le transfert de chaleur et L'échangeur de chaleur.

Le transfert (ou d'échange ou de propagation) de chaleur entre les systèmes peuvent être faits de trois façons:

  • pour conduction: Dans un même corps ou entre les corps en contact il y a une transmission, aux chocs, énergie cinétique entre les molécules appartenant à des zones adjacentes de la matière. Dans le cadre de l'énergie est transférée à travers la matière, mais sans mouvement macroscopique de ce dernier;
  • pour convection: Dans un fluide en mouvement, les parties de fluide peuvent chauffer ou refroidir à conduction entrer en contact avec les surfaces extérieures, puis, au cours de leur mouvement (caractère turbulent souvent), le transfert (toujours conduction) L'énergie achetée à d'autres surfaces, ce qui donne lieu à un transfert de chaleur pour advection. Dans un champ gravitationnel tel que celui terrestre (associée à la force de poids), Ce procédé de transfert de chaleur, ledit convection libre, elle est due à la naturel apparition de courants d'advection, réchauffer et refroidir, en raison de la diversité des température et alors densité des régions fluides impliquées dans le phénomène, par rapport à ceux du fluide environnant;
  • pour irradiationEntre deux systèmes, la transmission de chaleur peut avoir lieu à une distance (également sous vide), pour émission, propagation et absorption de ondes électromagnétiques: Dans ce cas, le corps de basse température se réchauffe, et à une température plus élevée se refroidit.[4] Le mécanisme d'irradiation ne nécessite pas de contact physique entre les organismes impliqués dans le processus.

Dans la pratique technique et plantes en général l'échange de chaleur entre les différents fluides sans mélange a lieu dans des dispositifs spécialement conçus, appelé précisément échangeurs de chaleur.

Sensation de température

Le sentiment de « chaud » ou « froid » qui est en contact avec un corps d'épreuve est déterminée par sa température et par conductivité thermique le matériau dont il est composé, en plus d'autres facteurs.

Bien qu'il soit possible de comparer au toucher (avec une certaine prudence) les températures relatives des deux corps, il est impossible de donner une évaluation absolue. Par exemple, en plongeant pendant quelques secondes une main dans l'eau froide et l'autre dans l'eau chaude, puis plonger à la fois dans de l'eau tiède, le premier aura le sentiment que l'eau est chaude, la seconde qu'il est froid, car la température perçue il est par rapport à celle de la main qui réalise la mesure. Il est souvent impossible même une évaluation relative. Par exemple, en touchant un morceau de bois et d'un métal qui sont dans le même environnement pendant un temps suffisant pour qu'ils aient atteint l'équilibre thermique avec l'environnement, il y a un sentiment que le métal est nettement plus froid, en raison de la conductivité thermique des deux matériaux. Un thermomètre placé en contact d'abord avec le bois, puis avec le métal, au lieu permettrait de mesurer la même température, qui coïncide avec celle de l'air dans l'environnement qui peut être approchée en tant que source de chaleur pour tout ce qui en elle y est contenu. La température est l'indice de l'énergie cinétique moyenne des particules du corps en cours d'examen, la chaleur est l'énergie qu 'un corps à température plus élevée déplacé vers un corps à une température inférieure (jusqu'à avoir les deux corps à la même température). La sensation de « chaud et froid » est due à la fois à la différence de température entre la main et l'objet est la vitesse à laquelle l'objet peut être transféré (absorber ou la libération) de la chaleur à la main (ou un autre objet à des températures différentes). Plus vite l'objet ressemble transfert à chaud (ou froid) par rapport à un objet qui transfère la chaleur plus lentement.

Cependant, en fournissant de la chaleur à un corps, non seulement on augmente la température, pour laquelle il y a une sensation plus aiguë de la chaleur, mais sont produits directement des variations mesurables de certaines propriétés physiques.

notes

  1. ^ à b c et (FR) DOE Handbook Fundamentals - "Thermodynamique, transfert de chaleur et de l'écoulement du fluide", pp. 19-22.
  2. ^ univers, De Agostini, Novara, Vol. II, pag.526-529
  3. ^ à b Selon la norme ISO 31-4.
  4. ^ Cette « manière forcée » du transfert de chaleur est établi par deuxième principe de la thermodynamique.

bibliographie

  • (FR) R. Byron Bird Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot, Transport Phénomènes, 2e éd., New York, Wiley, 2005 ISBN 0-470-11539-4.
  • (FR) Frank P. Incropera, David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine, Principes fondamentaux de la chaleur et de transfert de masse, 6e éd., Wiley, 2006 ISBN 0-471-45728-0.

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