L’énergie cinétique interne des particules dans la matière
La matière, qu’elle soit à l’état solide, liquide ou gaz, renferme des particules (atomes ou molécules) qui sont en mouvement.
Dans un solide, les forces d’attraction entre les particules permettent seulement à celles-ci de vibrer autour d’un point immobile. On pourrait dire qu’elles vibrent sur place et chaque particule occupe une position relativement fixe par rapport aux autres particules. L’animation suivante nous permet de visualiser les vibrations des atomes dans une protéine.
Dans un liquide, les particules sont aussi animées d’un mouvement vibratoire et sont retenues ensemble par des forces intermoléculaires. Cependant, les particules semblent vibrer autour de points mobiles. Les particules de gaz, par contre, voyagent indépendamment les unes des autres. Les forces intermoléculaires ont été vaincues et les particules ne sont plus retenues ensemble comme c’était le cas pour les solides et les liquides. Elles se déplacent en ligne et suivent la même direction sauf quand elles frappent d’autres particules ou les parois de leur contenant.
Dans chacun des états de la matière, les particules possèdent de l’énergie en raison de leur mouvement. Cette forme d’énergie se nomme énergie cinétique interne (interne signifie à l’intérieur de la matière).
L’énergie cinétique se calcule de la façon suivante :
où m représente la masse d’une particule et v, sa vitesse. Si on augmente la vitesse des particules, on augmente leur énergie cinétique.
L’énergie potentielle des particules de matière
Pour bien comprendre la notion d’énergie potentielle, prenons l’exemple d’un ressort. Si on étire un ressort, on lui transfère de l’énergie. Le ressort étiré peut faire un travail, par exemple, ramener une porte pour la fermer. Le ressort à l’état étiré, en raison de sa disposition particulière, possède de l’énergie potentielle. De même, si on monte une roche sur une montagne, on lui donne de l’énergie. La roche pourra faire du travail si on la laisse rouler vers le bas de la montagne. De par sa position, la roche possède de l’énergie potentielle lorsqu’elle est sur la montagne. Dans la matière, les particules de solide ou de liquide restent ensemble parce qu’elles sont retenues par des forces d’attraction. Si on les éloignent les unes des autres, on doit leur fournir de l’énergie pour vaincre l’attraction. Donc, si on éloigne les particules les unes des autres, elles ont plus d’énergie potentielle. Les particules de matière possèdent donc de l’énergie potentielle en raison de leur position respective dans la matière.
Énergie thermique
L’énergie thermique correspond à l’énergie interne (cinétique et potentielle) de l’ensemble des particules d’une substance. Si, par exemple, on additionne l’énergie de chaque molécule d'une tasse d’eau, ça nous donne la valeur de l’énergie thermique pour cette quantité d’eau.
L’énergie se mesure en joules (J). Dans certains pays, on utilise encore la calorie comme unité de mesure de la chaleur.
Comment fait-on pour augmenter l’énergie thermique?
On en discute dans la prochaine section.
La température
La température est une quantité qui nous permet de dire si un objet est plus chaud ou plus froid qu’un autre objet. C’est une mesure en degrés qui indique la capacité d’un objet à donner ou à recevoir de la chaleur. Plusieurs échelles de température ont été mises au point. Le schéma suivant nous permet de comparer entre ces différentes échelles :
Pour obtenir la température à l’échelle Kelvin, on ajoute 273 à la valeur de la température à l’échelle Celsius. En théorie, la plus basse température que peut atteindre la matière est -273°C. À cette température les particules cessent presque de bouger.
Prédis ce qui se passe au niveau de l’énergie cinétique des particules lorsque la température d’un objet augmente?
La simulation suivante va te permettre de vérifier ta prédiction.
Quand on réchauffe une substance, les particules s’agitent de plus en plus rapidement. Leur énergie cinétique augmente parce que leur vitesse augmente.
Différence entre énergie thermique et température
Alors que l’énergie thermique représente la quantité totale d’énergie dans une substance, la température est une mesure de l’énergie cinétique moyenne des particules.
Examine le schéma.
Ces deux gaz possèdent la même température. Alors, leurs particules ont une même énergie cinétique moyenne de 5. Cependant, le gaz no 2 possède plus d’énergie thermique parce qu’il contient plus de particules que le gaz no 1.
Vérifions si tu as compris.
Quelle substance possède le plus d’énergie thermique, l’eau bouillante du thé ou l’eau de la piscine?
Instruments de mesure de la température - Présentation
La relation entre la température, la pression et le volume d’un gaz
Relation pression-température (volume constant)
Qu’arrive-t-il à la pression appliquée par un gaz sur les parois de son contenant quand la température augmente?
Clip vidéo - relation pression température
On constate, qu’à volume constant, la pression varie directement avec la température. En d’autres mots, une augmentation de la température entraîne une augmentation de la pression exercée par un gaz alors qu’une diminution de température entraîne une réduction de la pression exercée par un gaz. Lorsqu’on augmente la température d’un gaz, ses molécules bougent plus rapidement et ont plus d’énergie cinétique. Elles frappent les parois du contenant plus souvent et avec plus d’énergie. Donc, la pression sur les parois du contenant augmente.
Relation volume-température (pression constante)
Si on augmente la température d’un gaz, l’énergie cinétique des particules va augmenter. Les particules vont plus vite et frappent plus souvent les parois de leur contenant à moins qu’on augmente le volume du contenant. Les particules auront alors plus d’espace à occuper. C’est la seule façon d’éviter une augmentation de pression.
Le physicien français Jacques Charles a constaté qu’il y avait une relation très simple entre le volume d’un gaz et sa température : pour maintenir la pression constante, le volume d’une quantité de gaz varie proportionnellement à la température en kelvins.
Selon cette courbe, le gaz ne devrait plus avoir de volume à une température de
0 K (-273°C). En réalité tous les gaz se transforment en liquide avant d’avoir atteint cette température et la loi de Charles ne s’applique plus dans ce cas. En effet, les molécules de gaz soumises à une pression très élevée vont se rapprocher de plus en plus jusqu’à ce que les forces d’attraction influencent la disposition des molécules. Les molécules se réarrangent et forment un liquide.
Variation de la pression, du volume, de la température et de la quantité de gaz
Nous allons maintenant intégrer tes connaissances sur les gaz en essayant de faire des prédictions.
- Prédis ce qui arrive à la pression d’un gaz si on double sa température et on double son volume.
- Fais la même prédiction mais, cette fois-ci, on double la température du gaz et on réduit son volume de moitié.
- Prédis comment tu peux arriver à maintenir constante la pression exercée par un gaz tout en doublant le volume de son contenant.
- Prédis ce qui arrive à la pression d’un gaz si on ajoute des molécules au contenant sans changer la température ni le volume.
Vérifie tes prédictions en utilisant la simulation suivante : Modèle moléculaire
L’équilibre thermique
Si tu touches une cuisinière chaude, de l’énergie va entrer dans ta main puisque la cuisinière est plus chaude que ta main. Si tu touches de la glace, le contraire va se produire. L’énergie passe de ta main à la glace.
La direction du transfert d’énergie se fait toujours de l’objet le plus chaud à l’objet le plus froid.
On appelle chaleur le transfert d’énergie thermique d’un objet à un autre. La chaleur se communique seulement d’une zone de température élevée à une zone de température basse.
La quantité de chaleur transmise se mesure en joules (J) ou en calories (c).
Lorsque deux objets finissent par atteindre la même température après avoir été mis en contact suffisamment longtemps, on dit qu’ils sont en équilibre thermique. Le transfert de chaleur cesse entre les deux objets.
Attention, plusieurs pensent que la température finale du mélange de deux quantités d’eau est égale à la somme des températures des deux quantités. En réalité, la température du mélange à l’équilibre thermique sera égale à la moyenne pondérée des températures des deux volumes :
La température du mélange atteindra 30 °C et non pas 65 °C.
La capacité thermique
On sait que l’absorption de chaleur provoque une augmentation de la température d’un objet parce qu’en moyenne, les molécules vibrent plus vite et ont donc plus d’énergie cinétique.
Mais le changement de température dépend aussi de la quantité de matière mise en jeu.
Par exemple, il faut 4200 J de chaleur pour augmenter de 1°C une masse de 1 kg d’eau. C’est donc dire qu’il faudrait avoir un transfert de 8400 J de chaleur pour augmenter de 1°C la masse de 2 kg d’eau.
Toutes les substances n’ont pas la même capacité à emmagasiner la chaleur. On peut facilement toucher au contenant en aluminium quelques minutes après avoir sorti du four un mets préparé. Mais on peut se brûler si on touche à la nourriture dans le plat. Certains aliments demeurent chauds plus longtemps. La garniture aux pommes d’une tarte est souvent trop chaude alors qu’on peut facilement manger la croûte.
On a donc besoin d’une autre quantité physique pour tenir compte des différences dans la capacité d’absorber et de libérer la chaleur. On définit la chaleur massique (capacité thermique massique) comme étant la quantité de chaleur transférée quand la température de 1,0 kg d’une substance donnée change de 1°C.
Le tableau suivant nous donne la valeur de la chaleur massique de différentes substances.
Substance |
Phase |
Capacité thermique massique J·kg-1·K-1 |
| Air (sec) | gaz | 1005 |
| Aluminium | solide | 897 |
| Azote | gaz | 1042 |
| Cuivre | solide | 385 |
| Diamant | solide | 502 |
| Eau | gaz | 1850 |
| liquide | 4185 |
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| solide (0 °C) | 2060 |
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| Éthanol (alcool éthylique) | liquide | 2460 |
| Fer | solide | 444 |
| Graphite | solide | 720 |
| Huile | liquide | ≈ 2000 |
| Laiton | solide | 377 |
| Mercure | liquide | 139 |
| Plomb | solide | 130 |
| Or | solide | 129 |
| Zinc | solide | 388 |
Pourquoi penses-tu qu’on mélange de l’eau à l’antigel d'un radiateur de voiture?
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Explique pourquoi en général le Manitoba connaît des extrêmes de température plus grandes que les villes de la côte Ouest?
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Ces blocs de différents métaux ont la même température initiale et la même masse. Quelle substance possède la plus grande chaleur massique? La plus petite?
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Changements d’état
Un changement d’état implique toujours un changement dans l’énergie des particules impliquées.
De l’énergie est absorbée quand le changement est dans cette direction.
De l’énergie est libérée quand le changement est dans cette direction.
Parmi les changements d’état, trois changements demandent une libération de chaleur : solidification, condensation et condensation solide.
La vapeur d’eau de l’air qui possède une température plus élevée que la paroi métallique d’une canette de boisson gazeuse froide, va céder de la chaleur aux particules de métal en frappant la canette. La libération de chaleur va permettre aux molécules d’eau de ralentir et de s’unir pour former des gouttelettes sur la paroi de la canette. C’est la condensation de l’eau.
Trois autres changements d’état demandent une absorption de chaleur : fusion, sublimation, vaporisation.
Comment varie donc la température d’une substance pendant les changements d’état? La simulation suivante va te permettre de répondre à cette question.
Tu as remarqué que dans le cas d’un changement de l’état solide à liquide puis de l’état liquide à gaz il y a deux plateaux de température (portion du graphique où la température ne change pas) malgré qu’on continue à fournir de la chaleur à notre substance. Pourquoi?
L’explication est liée au fait que, les particules de matière, en plus de posséder de l’énergie cinétique, possèdent aussi de l’énergie en raison de leur position ou énergie potentielle.
Dans la matière, les particules de solide ou de liquide restent ensemble parce qu’elles sont retenues par des forces d’attraction. Si on les éloigne les unes des autres, on doit leur fournir de l’énergie pour vaincre l’attraction. Donc, si on éloigne les particules les unes des autres, elles ont plus d’énergie potentielle. Pendant le changement de l’état solide à l’état liquide, la température de l’eau va rester à 0°C parce que la chaleur fournie est surtout utilisée pour changer la disposition des molécules. C’est l’énergie potentielle des particules qui augmente. De même, lorsque la température atteint 100°C, la température de l’eau cesse d’augmenter puisque la chaleur transférée à l’eau sert à vaincre les forces intermoléculaires pour permettre aux particules de s’échapper du liquide et devenir des molécules de gaz.
Transmission de la chaleur
1- La conduction
Si tu touches à un morceau de fer et à un morceau de bois qui sont dans une même pièce, le morceau de fer apparaît plus froid que le morceau de bois. Comment est-ce possible? Les deux matériaux sont à la même température de la pièce.
Le fer semble plus froid parce qu’il est un bon conducteur de chaleur. De la chaleur se transfère facilement de ta main pour pénétrer dans le fer. Le bois est un mauvais conducteur de chaleur. Peu de chaleur se transfère de ta main pour pénétrer dans le bois. Les mauvais conducteurs de chaleur sont de bons isolants.
Les métaux sont les substances qui conduisent le mieux la chaleur. La conduction est expliquée par la collision des particules entre elles et l’action des électrons libres. Dans les métaux, les atomes qui reçoivent de l’énergie thermique vibrent plus rapidement et frappent les particules voisines et leur communiquent une partie de leur énergie. De plus, les atomes des métaux ont des électrons à leur périphérie qui sont faiblement retenus dans l’atome et qui peuvent voyager d’un atome à l’autre en transportant de l’énergie thermique.
Les liquides et les gaz sont surtout de bons isolants. Les animaux à fourrure sont protégés du froid parce qu’il y a de l’air entre les poils qui ne conduit pas très bien la chaleur dégagée par l’animal. La neige est un bon isolant pour la même raison.
2- La convection
La convection se produit uniquement dans les fluides : gaz et liquides. Dans cette forme de transmission, c’est la substance elle-même qui se déplace et qui transporte de la chaleur.
Le mouvement de l'eau qui bout dans une casserole que l'on chauffe relève du phénomène de la convection ; les masses d’eau des zones les plus chaudes (celles qui sont au fond de la casserole) se dilatent et s'élèvent (poussée d'Archimède) tandis que celles des zones les plus froides descendent. Ce mouvement d'ensemble des molécules d'eau dû à des différences de température est ce qu'on appelle la convection. L’eau chaude s’élève parce que sa masse volumique est moins grande que celle de l’eau froide. Si on réchauffe les particules d’eau, leur vitesse augmente et les particules s’éloignent, ce qui entraîne la diminution de la masse volumique.
Dans le clip vidéo suivant, on peut voir de l’encre suivre le courant d’eau chaude qui monte à la surface de l’eau : Clip vidéo
L’eau ou l’air chaud qui monte finit par se refroidir sa masse volumique augmente et le fluide redescend et remplace le fluide au fond qui est maintenant plus chaud et moins dense. On obtient un courant de convection.
3- Le rayonnement (radiation)
Le rayonnement est totalement différent des deux autres types de transmission de la chaleur puisque les substances qui échangent de la chaleur n'ont pas besoin d'être en contact. Le rayonnement est l'émission d'ondes électromagnétiques par un objet. Quand on y pense, la Terre reçoit sa chaleur du Soleil surtout par rayonnement. Ce mode de transfert se produit chaque fois qu'on est en présence d'ondes électromagnétiques : ondes radio et de télévision, ondes radar, rayon infrarouge, lumière visible, rayon ultraviolet, rayon X et rayon gamma . Le transfert d'énergie par rayonnement peut se faire sur de très grandes distances et même dans le vide. Tous les objets émettent des ondes électromagnétiques. Lorsqu’on parle de chaleur, on se réfère aux ondes infrarouges à courte longueur d’onde. Ce sont les ondes infrarouges qui donnent la sensation de chaleur sur notre peau lorsqu’on s’approche d’un foyer.
L’absorption et l’émission d’énergie rayonante
L’absorption de l’énergie rayonnante est l’opposée de la réflexion. Les objets foncés absorbent beaucoup d’énergie rayonnante y compris la lumière visible, et réfléchissent peu d’ondes. Les objets parfaitement noirs absorbent toutes les ondes d’énergie rayonnante (ex. les pupilles de ton l’œil). Les objets blancs ou brillants réfléchissent beaucoup d’énergie radiante y compris toutes les couleurs de la lumière visible.
