Transferts d'énergie

3.4 Le calcul de l'énergie transférée

• On calcule l'énergie thermique (Q) transférée entre deux systèmes, 1 et 2, en posant que la chaleur donnée par un système est égale à la chaleur reçue par l'autre:
  -Q1 = Q2
  -m1c1\Delta T1 = m2c2\Delta T2
• On peut connaître la température finale (Tf) d'un mélange composé de deux systèmes à l'aide de la formule suivante: Tf = \frac{m2c2T2 + m1c1T1}{m1c1 + m2c2}

POUR FAIRE LE POINT

• Déterminez, pour chacune des situations ci-dessous:
  • de quoi sont constitués les systèmes;
  • si les systèmes sont ouverts, isolés ou fermés;
  • ce qui est considéré comme l'environnement;
  • si le transfert d'énergie prend la forme de chaleur ou de travail;
  • dans quelle direction se produit le transfert d'énergie.
  • Un verre d'eau forme de la glace dans un congélateur fermé dont les parois extérieures sont à la température ambiante.
  • Une astronaute déguste un chocolat chaud dans une station spatiale en orbite autour de la Terre.
  • Un cuisinier se brûle lorsque des éclaboussures d'huile de friture sont projetées.
• Calculez la quantité de chaleur absorbée par 222 g d'huile lorsqu'on la chauffe de 20 °C à 120 °C.
• La chaleur dégagée lorsqu'un échantillon de glace est refroidi de 10 °C est-elle la même que lorsqu'un échantillon d'eau est refroidi de 10 °C? Est-ce la glace ou l'eau qui dégage le plus de chaleur? Calculez la chaleur dégagée pour un échantillon de 1 g de chacune des substances. La capacité thermique massique de la glace est de 2,05 J/g°C.
• On dépose un morceau de plomb de 9,4 g dans un calorimètre à 18,9 °C dont le volume est d'une capacité de 1 L. La masse volumique de l'eau est de 1,0 g/mL. Quelle était la température initiale du plomb si la température de l'eau une fois l'échange de chaleur terminé est de 20,0°C? La capacité thermique massique du plomb est de 0,128 J/g°C.
• À quelle température devrait être une solution antigel si on souhaite en utiliser 500 g pour refroidir à 20 °C une pièce d'aluminium de 20 g à 300 °C? La capacité thermique massique de l'aluminium est de 0,900 J/g°C et celle de la solution antigel est de 3,47 J/g°C.
• Quelle est la capacité thermique massique de l'hexane (C6H{14}) si, lorsqu'on en mélange 100 g à 75 g de benzène (C6H6), une substance dont la capacité thermique massique c est de 1,72 J/g°C à 30 °C, la température finale est de 26,1 °C?
• On chauffe une pièce de métal qui pèse 14,9 g à 98,0 °C. Quand on place le morceau dans 75,0 g d'eau à 20,0 °C, la température de l'eau monte à 28,5 °C. Quelle est la capacité thermique massique du métal?
• On laisse tomber un morceau d'étain de 45,5 g et à 99,0 °C dans 25,0 g d'eau

SYNTHÈSE Les transferts d'énergie

3.1 La distinction entre chaleur et température

• La chaleur est le transfert d'énergie thermique qui se produit entre deux systèmes de températures différentes en contact l'un avec l'autre.
• La température est une mesure de l'agitation des particules d'un système. Plus la température est élevée, plus l'agitation des particules est intense.
• La chaleur est transférée à partir du système à plus haute température vers le système à plus basse température.
• Les transferts d'énergie entre systèmes peuvent se faire par un travail, qui est un mouvement ordonné des particules, ou par de la chaleur, qui est un mouvement désordonné des particules.

3.2 La loi de la conservation de l'énergie

• Selon la loi de la conservation de l'énergie, l'énergie peut être transférée ou transformée, mais il est impossible de la créer ou de la détruire.
• Un système ouvert permet les échanges de matière et d'énergie avec le milieu extérieur.
• Un système isolé ne permet aucun échange de matière ni d'énergie avec le milieu extérieur.
• Un système fermé permet les échanges d'énergie avec le milieu extérieur, mais ne laisse pas passer la matière.
• Le calorimètre est un instrument utilisé pour étudier la chaleur impliquée dans certaines transformations chimiques ou physiques. Il constitue un système isolé.

3.3 La relation entre l'énergie thermique, la capacité thermique massique, la masse et la variation de température

• Il est possible de calculer la chaleur (Q) impliquée au moment du changement de température d'une substance. Elle correspond au produit de la masse (m), de la capacité thermique massique (c) et de la variation de température (\Delta T).
  Q = mc\Delta T
• La capacité thermique massique d'une substance est proportionnelle à la difficulté avec laquelle on peut augmenter la température de cette substance.