Chaleur (un peu de théorie)

Un transfert de chaleur désigne un échange d'énergie thermique entre deux corps dont les températures sont différentes. La relation entre chaleur et énergie thermique est analogue à la relation entre travail et énergie cinétique. Cependant, la notion de chaleur s'oppose à la notion de travail, car l'energie transmise sous forme de chaleur est une énergie désordonnée, dont les possibilités de transformation sous d'autres formes d'énergie sont limitées. L'étude des conséquences de l'existence de formes d'energie désordonnées fait l'objet de la thermodynamique.

La chaleur échangée dans un système est notée Q. La chaleur étant une énergie, elle est exprimée en joule (J).

La capacité thermique massique, ou capacité calorifique d'un corps est la quantité de chaleur qu'il faut pour élever sa température d'un kelvin. Pour l'eau, elle est d'environ 4 185 J/kg. Exception faite des gaz parfaits, la capacité thermique massique varie avec la température. L'élévation de température entraîne une dilatation, on exprime donc plusieurs valeurs selon que la transformation se fait à volume constant (la pression augmente), on la note C_v, ou qu'elle se fait à pression constante (le volume augmente), on la note C_p. Elle est exprimée en J.kg^-1.

La chaleur latente de changement d'état est la quantité d'énergie qu'il faut fournir à un corps de 1 kg pour qu'il change d'état (solide-liquide-gaz) sans élévation de température. On définit donc la chaleur latente de fusion L_f, de vaporisation L_v et de sublimation L_s. Elle est exprimée en J.kg^-1.

Pour de l'eau à 0°C, la chaleur latente de fusion est de 333 kJ.kg^-1.

Modes de transfert

Un transfert de chaleur est un transit d'énergie causé par une différence de température.

L'étude des transferts de chaleur complète l'étude de la thermodynamique en décrivant la manière dont s'opère le transfert d'énergie.

Deux corps ayant la même température sont dits en « équilibre thermique ». Si leur température est différente, le corps le plus chaud cède de la chaleur au corps le plus froid. La calorimétrie est la mesure expérimentale de ces transferts de chaleur.

Il y a trois modes de transfert principaux :

• la conduction thermique quand il existe un gradient de température au sein d'un médium. La chaleur diffuse dans un milieu, la température augmente de proche en proche (par exemple, le fer à repasser transmet la chaleur au vêtement par conduction).
• la convection quand on étudie les transferts de matière (chaude ou froide) au sein d'un médium ou entre une surface et un fluide en mouvement
• le rayonnement quand deux corps (gaz, fluide ou solide) à des températures différentes sont en vue. C'est en général la partie de rayonnement infrarouge qui est la plus énergétique.

Dans la plupart des cas pratiques ces trois modes de transfert sont présents simultanément et interfèrent entre eux.