Chapitre 4 : Température et énergie interne

1. La température

1. Les instruments de mesures

Que ressentons-nous lorsque nous plongeons nos mains dans le bain d'eau tiède ?

Nous ressentons une sensation chaude sur la main gauche et une sensation froide sur la main droite alors que le bain est à température unique.

Peut-on se fier aux sensations humaines pour déterminer une température ?

Non, car la sensation à chaud et à froid est subjective et dépend des sensations antérieures

Les sensations éprouvées par le corps humain ne suffisent pour déterminer une température. De nombreux phénomènes physique peuvent renseigner sur l'effet thermique, d'un corps :

• la dilatation des corps (gazeux, liquide, solide)
• la variation de la résistance électrique
• l'émission de rayonnement

Ainsi les instruments de mesures de température actuelle sont basés sur des phénomènes physiques :

• thermomètre à dilatation : le plus souvent il s'agit d'alcool (le mercure étant interdit).
• thermomètre numérique : la sonde peut être une thermistance dont la résistance varie en fonction de la température, ou thermocouple (deux métaux soudés) aux bornes desquelles apparaît une tension.
• thermomètre optique à infrarouge qui permet d'effectuer des mesures à distance.

2. Que se passe-il au niveaux microscopique ?

Les particules (atomes, molécules, ions) constituant un corps gazeux, liquide ou solide sont en continuelle agitation, mouvement des particules pour les gaz ou les liquides, vibration pour les solides.

Cette agitation des particules appelée agitation thermique est lié à la température du corps, plus la température est élevée plus l'agitation des particules est grande et inversement.

3. Les échelle de température

L'échelle des température la plus couramment utilisées est l'échelle de Celsius. O°C correspond à la température de fusion de la glace, 100°C correspond à la température d'ébullition de l'eau.

Sur l'échelle de Kelvin, la température la plus basse appelé zéro absolu correspond à l'absence d'agitation thermique. Ainsi il n'existe pas de température négative. La température en Kelvin se déduit de la température en degré Celsius par cette relation :

T = θ + 273	T en K
	θ en °C

2. L'énergie interne

1. Définition

Les particules constituant les corps sont agitées. De fait elles possèdent une énergie cinétique. D'autres interagisses entre elles parts des liaisons chimiques ou des forces électriques, elles possèdent aussi une autre forme d'énergie appelé énergie potentielle d'interaction.

La somme de cette énergie cinétique et de cette énergie potentielle d'interaction est appelé énergie interne noté Eint ou U.

On peut modifier l'énergie interne d'un corps en lui transférant :

• du travail par usinage d'une pièce , par frottement
• de la chaleur (chauffage)
• du rayonnement (capteur solaire)

La variation d'énergie interne d'un corps noté ΔU (ou ΔEint) est égale à la quantité de chaleur (ou énergie thermique), noté Q, reçu par ce corps : Q = ΔU

3. Relation entre énergie interne et température

Lorsqu'un système de masse subit une variation de température ΔE (ou Δθ), alors son énergie interne varie d'une quantité ΔU (ou Δeint) telle que :

ΔU = m*c* ΔT	ΔU en J
	m en kg
	C en J.kg-1.°C-1 (ou K)
	ΔT en °C (ou K)

Où c: capacité thermique massique du système

ΔT = T_f – T_i (ou Δθ = θ_f – θ_i) : variation de température

4. Capacité thermique massique

La capacité thermique massique, noté c, est une grandeur caractéristique d'un matériau : Elle correspond à la quantité nécessaire pour augmenter la température de 1K (ou 1°C) d'une masse de 1kg de ce matériaux.

On constate que l'eau à une très grande capacité thermique massique, c'est une raison qui explique son utilisation pour le chauffage des habitations.

En construction des murs épais en béton ou en briques permettent une accumulation plus importante d'énergie thermique.