Chapter 6: Thermochemistry

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6.4:

Quantification de la chaleur

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Quantifying Heat

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6.5: Quantifying Work

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L’énergie interne est définie par l’interconversion de la chaleur et du travail. Mais comment la chaleur est-elle mesurée? Chaque substance possède de l’énergie thermique.Lorsqu’un système subit une différence de température avec son environnement, l’énergie thermique passe de la matière de température plus élevée à la matière de température plus basse. Ce transfert d’énergie thermique est également appelé transfert de chaleur et est mesuré en Joules. La température, d’autre part, décrit une propriété de l’énergie thermique et est mesurée en Celsius ou Kelvin.Ainsi, la température est indépendante de la substance, contrairement à la chaleur, qui dépend du nombre et du type de molécules dans un système. La chaleur peut être mesurée par une technique appelée la calorimétrie, qui utilise la relation entre la chaleur et un changement de température d’un système. Lorsqu’un morceau de fer à 114 degrés Celsius est placé dans l’eau à température ambiante, la chaleur s’écoule du fer à l’eau jusqu’à ce qu’ils soient à la même température.Une fois que le flux net de chaleur, ils sont en équilibre thermique. Dans un système isolé, l’eau gagne exactement autant de chaleur que le fer perd. Mais la température finale est seulement un degré au-dessus de la température de départ de l’eau, tandis que le fer a refroidi de 93 degrés Celsius.La quantité de chaleur transférée est proportionnelle au changement de température delta T.La constante de proportionnalité C ou la”capacité calorifique”est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d’un système d’un kelvin, ou d’un degré Celsius. La capacité calorifique dépend du type de la substance:un système avec une grande capacité calorifique comme l’eau doit absorber plus de chaleur pour augmenter sa température qu’un système avec une plus petite capacité calorifique, comme le fer. La capacité thermique dépend également de la masse de la substance.Capacité calorifique spécifique, Cs, ou capacité calorifique molaire, Cm, décrit la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1 gramme, ou 1 mole d’une substance par 1 degré Celsius. Ainsi, l’unité est donnée en Joules par gramme de degré Celsius, ou en Joules par mole de degré Celsius. Ainsi, si les capacités calorifiques spécifiques et le changement de température d’un système sont connus, la valeur de la chaleur peut être calculée à partir de leur produit.

6.4:

Quantification de la chaleur

La plus grande poêle en fonte, bien qu’elle soit faite de la même substance, a besoin de 90 700 J d’énergie (q) pour que sa température augmente de 50,0 °C (&DeltaT). La plus grande poêle a une capacité thermique (proportionnellement) plus grande car la plus grande quantité de matériau nécessite une quantité d’énergie (proportionnellement) plus grande pour générer le même changement de température :

La capacité thermique massique (c) d’une substance, qu’on appelle couramment “ chaleur spécifique ”, est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1 gramme d’une substance de 1 degré Celsius (ou 1 Kelvin) :

La capacité thermique massique dépend uniquement du type de substance absorbant ou dégageant de la chaleur. C’est une propriété intensive, donc elle ne dépend pas de la quantité de la substance. Par exemple, la petite poêle en fonte a une masse de 808 g. La chaleur spécifique du fer (le matériau utilisé pour fabriquer la casserole) est donc :

La grande poêle à frire a une masse de 4040 g. À l’aide des données pour cette poêle, nous pouvons également calculer la chaleur spécifique du fer :

Bien que la grande poêle soit plus massive que la petite poêle, puisqu’elles sont toutes les deux fabriquées avec le même matériau, elles génèrent toutes les deux la même valeur pour la chaleur spécifique (pour le matériau de construction, le fer). Notez que la chaleur spécifique est mesurée en unités d’énergie par température par masse et qu’elle est une propriété intensive, dérivée d’un rapport de deux propriétés extensives (chaleur et masse). La capacité thermique molaire, qui est également une propriété intensive, est la capacité thermique par mole d’une substance particulière, et elle a les unités J/mol⋅°C.

L’eau a une chaleur spécifique relativement élevée (environ 4,2 J/g⋅°C pour le liquide et 2,09 J/g⋅°C pour le solide) ; la plupart des métaux ont des chaleurs spécifiques beaucoup plus faibles (habituellement moins de 1 J/g⋅°C). Connaissant la masse (m) d’une substance et sa chaleur spécifique (c), on peut déterminer la quantité de chaleur, q entrant ou sortant de la substance en mesurant le changement de température (ΔT) avant et après que la chaleur soit gagnée ou perdue :

Si une substance reçoit de l’énergie thermique, sa température augmente, sa température finale est supérieure à sa température initiale, T_final − T_initial a une valeur positive et la valeur de q est positive. Si une substance perd de l’énergie thermique, sa température diminue, la température finale est inférieure à la température initiale, T_final − T_initial a une valeur négative et la valeur de q est négative.

Notez que la relation entre la chaleur, la chaleur spécifique, la masse et le changement de température peut être utilisée pour déterminer l’une de ces quantités (pas seulement la chaleur) si les trois autres sont connues ou peuvent être déduites.

Ce texte est adapté de OpenStax Chemistry 2e, Section 5.1 : Notions d’énergie et OpenStax Chemistry 2e, Section 5.3 : Enthalpie.

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