La matière, la substance dont sont composés tous les objets physiques, présente une gamme de propriétés thermiques cruciales pour comprendre le monde qui nous entoure. Ces propriétés, telles que la température, la chaleur et la dilatation thermique, sont régies par les principes du transfert d'énergie et les lois de la physique.
La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des particules dans une substance, souvent mesurée en degrés Celsius (°C), Fahrenheit (°F) ou Kelvin (K). La chaleur, quant à elle, est une forme de transfert d’énergie entre deux objets ou systèmes en raison d’une différence de température. L'unité de chaleur dans le Système international d'unités (SI) est le joule (J). La relation entre la chaleur ( \(Q\) ), la masse ( \(m\) ), la capacité thermique spécifique ( \(c\) ) et le changement de température ( \(\Delta T\) ) est décrite par l'équation : \(Q = mc\Delta T\) La capacité thermique spécifique est une mesure de la quantité d'énergie thermique nécessaire pour modifier la température d'un kilogramme d'une substance d'un degré Celsius.
Lorsque les matériaux sont chauffés, ils se dilatent généralement. Ce phénomène est connu sous le nom de dilatation thermique et peut être observé dans les solides, les liquides et les gaz. La dilatation thermique se produit parce que l’augmentation de la température entraîne une augmentation de l’énergie cinétique des particules, les faisant s’écarter. L'étendue de la dilatation thermique peut être décrite par le coefficient de dilatation linéaire ( \(\alpha\) ), pour les solides, qui montre le changement de longueur ( \(\Delta L\) ) par unité de longueur ( \(L\) ) par degré de changement de température ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) Pour les liquides et les gaz, l'expansion volumique est plus pertinente que l'expansion linéaire, et elle est décrite par le coefficient d'expansion volumétrique.
Les changements de phase sont des transformations entre les phases solide, liquide et gazeuse d'une substance et impliquent l'absorption ou la libération d'énergie sans changement de température. Les principaux types de changements de phase comprennent la fusion, la congélation, la vaporisation, la condensation, la sublimation et le dépôt. La chaleur associée au changement de phase est appelée chaleur latente. Par exemple, l’énergie nécessaire pour transformer 1 kg de glace en eau sans changement de température est appelée chaleur latente de fusion ( \(L f\) ), tandis que l’énergie nécessaire pour convertir 1 kg d’eau en vapeur sans changement de température est appelée la chaleur latente de vaporisation ( \(Lv\) ) : \(Q = mL_f\) pour la fusion ou la congélation, \(Q = mL_v\) pour la vaporisation ou la condensation.
L'énergie thermique peut être transférée à travers la matière par conduction, convection et rayonnement. La conduction est le transfert de chaleur entre des substances en contact direct les unes avec les autres. La conductivité thermique ( \(k\) ) d'un matériau est une mesure de sa capacité à conduire la chaleur. La loi de Fourier de conduction thermique montre la relation entre le taux de transfert de chaleur ( \(Q/t\) ), la conductivité thermique ( \(k\) ), la surface ( \(A\) ), le gradient de température ( \(\Delta T/L\) ), et épaisseur du matériau ( \(L\) ) : \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) La convection est le transfert de chaleur par le mouvement de fluides (liquides ou gaz ) causée par les différences de température. Cela implique le mouvement massif du fluide. Le rayonnement est le transfert d'énergie par le biais d'ondes électromagnétiques et ne nécessite aucun milieu pour se propager. Tous les objets émettent un rayonnement thermique, et la quantité de rayonnement émis augmente avec la puissance quatrième de la température de l'objet, comme décrit par la loi de Stefan-Boltzmann : \(P = \sigma AT^4\) où \(P\) est la puissance émise, \(\sigma\) est la constante de Stefan-Boltzmann, \(A\) est la surface et \(T\) est la température en Kelvin.
L'eau possède des propriétés uniques liées à sa capacité thermique spécifique et à son comportement proche de 4°C. La capacité thermique spécifique de l'eau est nettement élevée, ce qui signifie qu'elle a besoin de beaucoup d'énergie thermique pour augmenter sa température, contribuant ainsi à son rôle de tampon thermique dans les écosystèmes. De plus, l’eau atteint sa densité maximale à 4°C ; en refroidissant en dessous de cette température, il se dilate. Cette expansion anormale est cruciale pour la survie de la vie aquatique dans les climats froids, car la glace se forme à la surface des plans d’eau, isolant l’eau située en dessous.
Les propriétés thermiques de la matière ont de nombreuses applications dans la vie quotidienne et dans l’industrie. Par exemple, la dilatation thermique est prise en compte dans la conception des ponts et des voies ferrées pour permettre la dilatation et la contraction liées aux changements de température. La capacité thermique spécifique élevée de l’eau en fait un excellent liquide de refroidissement dans les processus industriels et les centrales électriques.
Dans une expérience visant à démontrer la capacité thermique spécifique de l’eau, un appareil de chauffage est utilisé pour transférer une quantité connue d’énergie à une quantité d’eau mesurée. En observant le changement de température, les élèves peuvent calculer la capacité thermique spécifique de l’eau à l’aide de la formule \(Q = mc\Delta T\) .
Une autre démonstration courante consiste à placer un ballon sur une fiole remplie d’eau. Au fur et à mesure que l'eau se réchauffe et se transforme en vapeur, le ballon se gonfle à cause de la vapeur d'eau qui pousse l'air. Cela démontre la dilatation de l’eau lorsqu’elle se transforme en gaz, effet visible de la dilatation thermique de la matière.
Comprendre les propriétés thermiques de la matière améliore non seulement notre compréhension de la physique fondamentale, mais enrichit également notre capacité à concevoir des solutions pour une variété de défis pratiques.
