Introduction
La chaleur absorbée est une grandeur physique qui mesure l’énergie thermique transférée à un système pour modifier sa température, sans changer son état.
Définition de la chaleur absorbée
La chaleur absorbée, notée Q, est une grandeur scalaire qui représente l’énergie thermique transférée à un système pour modifier sa température, sans changer son état. Elle est mesurée en unités d’énergie, telles que le joule (J). La chaleur absorbée peut être positive ou négative, selon que le système absorbe ou cède de la chaleur. Lorsqu’un système reçoit de la chaleur, sa température augmente, tandis que lorsqu’il cède de la chaleur, sa température diminue. La chaleur absorbée est liée à la variation de température du système et à ses propriétés thermiques, telles que la chaleur spécifique et la capacité calorifique.
Importance de la chaleur absorbée dans les phénomènes thermiques
La chaleur absorbée joue un rôle crucial dans les phénomènes thermiques, car elle permet de comprendre et de décrire les transferts d’énergie thermique entre les systèmes. Elle est essentielle pour étudier les processus de chauffage, de refroidissement, de fusion et de vaporisation. La chaleur absorbée est également importante dans de nombreux domaines, tels que la physique, la chimie, la biologie, la médecine et l’ingénierie, où elle permet de comprendre les mécanismes fondamentaux des réactions chimiques, des processus biologiques et des systèmes techniques. Enfin, la maîtrise de la chaleur absorbée est essentielle pour concevoir et optimiser les systèmes énergétiques, les réseaux de chauffage et de climatisation, ainsi que les procédés industriels.
La chaleur absorbée et les grandeurs thermiques
La chaleur absorbée est liée à d’autres grandeurs thermiques fondamentales, telles que la température initiale et finale, la variation de température et le coefficient de dilatation.
La chaleur spécifique et la capacité calorifique
La chaleur spécifique d’un corps est définie comme la quantité d’énergie thermique nécessaire pour élever la température d’un gramme de cette substance d’un degré Celsius. Elle est notée c et s’exprime en joules par gramme par degré Celsius (J/g°C).
La capacité calorifique d’un corps est la quantité d’énergie thermique nécessaire pour élever la température de tout le corps d’un degré Celsius. Elle est notée C et s’exprime en joules par degré Celsius (J/°C).
Ces deux grandeurs sont liées par la relation suivante ⁚ C = mc, où m est la masse du corps. La connaissance de la chaleur spécifique et de la capacité calorifique est essentielle pour calculer la chaleur absorbée par un corps.
La variation de température et le coefficient de dilatation
La variation de température d’un corps est la différence entre la température finale et la température initiale. Elle est notée ΔT et s’exprime en degrés Celsius (°C).
Le coefficient de dilatation d’un corps est une grandeur qui décrit la variation de volume du corps lors d’une variation de température. Il est noté α et s’exprime en réciproque de la température (1/°C).
Lorsqu’un corps subit une variation de température, il se produit une dilatation thermique, c’est-à-dire une augmentation ou une diminution de volume du corps. Le coefficient de dilatation est lié à la variation de température et permet de caractériser la dilatation thermique d’un corps.
Formules de la chaleur absorbée
La chaleur absorbée peut être calculée à l’aide de deux formules fondamentales, relatives à la température et à la capacité calorifique.
La formule de la chaleur absorbée en fonction de la température initiale et finale
La chaleur absorbée (Q) peut être calculée en fonction de la température initiale (Ti) et de la température finale (Tf) à l’aide de la formule suivante ⁚
Q = mc × (Tf — Ti)
Où m est la masse du corps et c la chaleur spécifique du matériau.
Cette formule montre que la chaleur absorbée est directement proportionnelle à la variation de température et à la masse du corps.
Elle est particulièrement utile pour les problèmes impliquant des changements de température à pression constante.
La formule de la chaleur absorbée en fonction de la variation de température et de la capacité calorifique
Une autre façon de calculer la chaleur absorbée est d’utiliser la formule suivante ⁚
Q = C × ΔT
Où C est la capacité calorifique du système et ΔT la variation de température.
Cette formule est particulièrement utile lorsque la capacité calorifique est connue.
La capacité calorifique est une grandeur qui dépend du matériau et de sa masse.
En connaissant la capacité calorifique et la variation de température, on peut facilement calculer la chaleur absorbée.
Calcul de la chaleur absorbée
Le calcul de la chaleur absorbée implique l’utilisation des formules appropriées en fonction des données disponibles sur le système thermique étudié.
Exemple de calcul de la chaleur absorbée pour un corps solide
Soit un cube de métal de masse 500 g٫ dont la chaleur spécifique est de 0٫5 J/g°C. On souhaite chauffer ce cube de 20°C à 80°C. Pour cela٫ nous devons calculer la chaleur absorbée par le cube.
Pour résoudre ce problème, nous allons utiliser la formule de la chaleur absorbée en fonction de la température initiale et finale ⁚ Q = mcΔT.
Nous pouvons ainsi calculer la chaleur absorbée ⁚ Q = 500 g x 0,5 J/g°C x (80°C ‒ 20°C) = 15 000 J.
Cela signifie que pour chauffer le cube de 20°C à 80°C, il faut lui apporter une énergie thermique de 15 000 J.
Exemple de calcul de la chaleur absorbée pour un fluide
Soit un réservoir contenant 2 litres d’eau, dont la chaleur spécifique est de 4,18 J/g°C. On souhaite chauffer cette eau de 25°C à 40°C. Pour cela, nous devons calculer la chaleur absorbée par l’eau.
Pour résoudre ce problème, nous allons utiliser la formule de la chaleur absorbée en fonction de la température initiale et finale ⁚ Q = mcΔT.
Nous pouvons ainsi calculer la chaleur absorbée ⁚ Q = 2000 g x 4,18 J/g°C x (40°C ‒ 25°C) = 33 440 J.
Cela signifie que pour chauffer l’eau de 25°C à 40°C, il faut lui apporter une énergie thermique de 33 440 J.
Exercice résolu
Résolution d’un exercice type sur la chaleur absorbée, illustrant l’application des formules et des concepts étudiés précédemment.
Résolution d’un exercice de calcul de la chaleur absorbée
Soit un cube de métal de masse 500 g, dont la chaleur spécifique est de 0,5 J/g°C. Il est chauffé de 20°C à 80°C. Calculer la chaleur absorbée par le cube.
Pour résoudre cet exercice, nous allons utiliser la formule Q = mcΔT, où Q est la chaleur absorbée, m la masse du cube, c la chaleur spécifique et ΔT la variation de température.
En remplaçant les valeurs données, nous obtenons ⁚ Q = 500 g × 0,5 J/g°C × (80°C — 20°C) = 15000 J.
La réponse est donc 15000 J, ce qui correspond à la chaleur absorbée par le cube pour passer de 20°C à 80°C.
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