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CIFOM
Centre intercommunal de formation
des Montagnes neuchâteloises
ET
Ecole technique
Rue Klaus 1
2400 Le Locle
Tél 032 930 32 32
Fax 032 930 32 52
Calorimétrie
1
Comprendre les phénomènes thermiques
Qu’est-ce que l’énergie ?
Comment peut-on chauffer un
corps ?
Comment l’énergie se transmet ?
Comment isole-t-on une maison ?
2
Définition de l’énergie
L’énergie est une des notions fondamentales de
la physique. C’est une notion abstraite dont on
sait facilement décrire les effets, mais pas la
nature. Elle se présente sous différentes formes:
électrique, chimique, mécanique, thermique…
Son unité est le joule abrégé J.
3
Les transformations de l’énergie
Source: www.climat.be/fr/definition.html
4
La consommation d’énergie
Evolution constatée de la consommation totale d'énergie commerciale (c'est à dire hors bois, dont une large part
échappe aux circuits commerciaux), depuis 1860 en Mtoe (million de tonne d’équivalent pétrole).
Sources : Schilling & Al. 1977, IEA, Observatoire de l’Energie.
5
Définition du rendement
Dans la vie courante on transforme en général l’énergie car on
veut l’utiliser. Prenons l’exemple d’un moteur de véhicule.
L’énergie utile est celle qui servira à faire avancer la voiture,
l’énergie inutile est celle qui sera perdue dans les frottements
des pièces, la commande des accessoires…
Energie totale
Machine
Energie utile
Energie inutile
Le rendement se définit comme:

Eutile
Etotale
6
Définition de la puissance
La puissance est la capacité à fournir une certaine énergie en
un certain temps. Son unité est le Watt.
1Watt = 1Joule/1 seconde
Nous avons tous une notion intuitive de la puissance, par
exemple nous savons comparer la puissance de différents
véhicules.
7
Qu’est-ce que la température?
La température est une propriété de tout corps en équilibre
thermique et est une mesure de l’agitation des atomes ou
molécules qui constitue le corps. On parle d’une variable
d’état macroscopique (cf livre page 462-464)
Elle se mesure avec des instruments appelés thermomètres.
On trouve deux échelles courantes de températures: les
degrés Celsius TC et les degrés Kelvin Tk
La relation entre les deux échelles est:
Tk = TC +273, 15
8
Modifier la température d’un corps
Si on fournit à un corps une certaine quantité de chaleur alors on
peut observer une augmentation de sa température. Comment
peut-on quantifier ce changement de température?
On a pu remarquer que le lien entre chaleur fournie et le
changement de température s’exprimait comme:
Q = m c T
Q est la quantité de chaleur en joule,
m est la masse du corps en kg,
c est la chaleur spécifique du corps en J/kgK
T = (Tf - Ti ) la température finale moins la température initiale.
9
La chaleur spécifique (ou massique)
La chaleur spécifique c est un paramètre
qui varie pour chaque corps.
Son unité est le : J/kg K
Quelquefois on trouve pour les récipients
la notion de capacité calorifique notée
soit C soit  et valant C = cm. Son unité
est le J/K
température
La courbe ci-contre présente la variation
de température pour 100 grammes de
deux liquides chauffés avec la même
puissance. Les pentes différentes
indiquent des c différents.
Variation de température
35
33
31
29
27
25
23
21
19
17
15
0
2
temps
4
6
10
Les échanges d’énergie
L'expérience ci-dessous vise à montrer que lorsque des échanges
thermiques sont possibles entre deux corps dont les températures sont
différentes, c'est le corps le plus chaud qui cède de la chaleur à
l'autre.
11
La conservation de l’énergie
Ce qui s’échange entre les deux corps de l’expérience
précédente est une certaine quantité de chaleur. La loi de la
conservation de l’énergie nous donne:
Q1+ Q2 = 0
Cette relation nous permet de calculer la température finale
Tf avec l’équation suivante:
m1c1(Tf –T1) + m2c2 (Tf –T2) = 0
12
Modifier l’état d’un corps
Apporter ou retirer de l’énergie peut aussi faire changer d’état un
corps.
Il existe 3 états de la matière: l’état solide, l’état liquide et l’état
gazeux. Les changements entre ces états se font à une
température bien spécifique à chaque corps, appelées température
de fusion TF et température d’ébullition Tv
vaporisation
Gaz
fusion
Liquide
TF
Tv
liquéfaction
Solide
solidification
13
Changements d’états et énergie
La relation qui permet de connaître le lien entre énergie et
changement d’état s’écrit:
Q = ± m LF,V
Le signe ± indique que l’énergie est soit positive s’il faut fournir
de l’énergie au corps, soit négative s’il faut enlever de l’énergie
au corps. Le terme LF,V s’appelle la chaleur latente de fusion (LF)
ou chaleur latente de vaporisation (Lv). Ces termes sont
spécifiques à chaque corps.
14
Effet de l’énergie thermique - résumé
Température (°C)
120
100
80
60
40
20
0
-20
0
500
1000
1500
2000
2500
-40
-60
Temps (secondes)
Variation de la température d’un kilo d’eau initialement sous
forme de glace à –50 °C et chauffé avec une puissance constante
de 700W
15
Et la loi de conservation de l’énergie?
Si nous mélangeons dans un récipient bien isolé des corps à des
températures et des états différents, que va-t-il se passer?
La loi de conservation de l’énergie nous dit que les corps vont
s’échanger de l’énergie et que la somme de tous les échanges
vaudra toujours zéro. Le mélange va évoluer vers une
température finale qui tiendra compte de tous les échanges
énergétiques.
Qi = 0
16
Les transferts de chaleur
17
Types de transferts
Jusqu’à maintenant nous nous sommes intéressés à
calculer les énergies en jeu lors des échanges lorsque les
corps en présence arrivaient à un équilibre thermique,
sans nous préoccuper des mécanismes de transfert de la
chaleur.
Ces mécanismes sont de plusieurs sortes
•Transferts par convection
•Transferts par rayonnement
•Transferts par conduction
18
Les transferts par convection
Ce mécanisme existe dans les liquides et les gaz. Il y a
déplacement de matière. Ce sont les mécanismes responsables
de nombreux phénomènes météo
19
Les transferts par rayonnement
Le rayonnement est un transfert de
chaleur pouvant s’effectuer à travers
le vide (par transport de photons).
Le flux de chaleur (en Watt) émis
par une surface d’un m2 à la
température T vaut:
q
=   T4
 est l’émissivité, valeur comprise entre 0 et 1,
elle est proche de zéro pour une surface blanche
brillante et proche de 1 pour une surface noire.
est la constante de Stefan-Boltzmann
 = 5.67 x 10-8 W/m2K4
20
Transfert par conduction
Ce sont les mécanismes de perte les plus importants dans
une maison. A chaque instant un flux de chaleur se crée de
la zone la plus chaude vers la zone la plus froide.
Le flux de chaleur en Watt se calcule comme :
1
q  SkT  S T
R
T1
e
q

T2
S = surface de la paroi
k = coefficient de transmission thermique (W/m2K)
R = résistance thermique
R= e/
e = épaisseur de la paroi en mètre
 = coefficient de conductivité thermique (W/mK)
21
Transferts à travers plusieurs parois
Lorsque plusieurs corps de nature différente composent une
paroi, le flux de chaleur va dépendre de la composition de
toutes les parois selon la formule ci-dessous.
= ktot T
R tot =  (ei / i) =  Ri
ktot = 1/ R tot
T1
e1
e2
e3
e4
1
2
3
4
T2
q
Cette formule permet de connaître l’efficacité d’une isolation.
22
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La dilatation thermique
des solides et des liquides
23
La dilatation linéique
La plupart des matériaux se dilatent lorsqu’ils sont soumis
à des variations de température.
On peut étudier la dilatation d’un solide en fonction de la
variation d’une dimension linéraire quelconque.
L =  L0 T (mètres)
L = la variation de longueur en mètres
L0 = la longueur initiale en mètres
T = la variation de température (en kelvin ou °C)
 = le coefficient de dilatation linéique (en K-1)
24
La dilatation volumique
Pour les solides et les liquides, on peut étudier la variation
de volume avec la loi suivante:
Dilatation volumique
V =  V0 T (en mètres3)
V = la variation de volume en m3
V0 = volume initial en m3
T = la variation de température (en Kelvin ou °C)
 = le coefficient de dilatation volumique (en K-1)
25
Relation entre  et  pour les solides
En général,  =3 
Examinons un cube d’arrête L0 et de volume initial V0= L03
Son volume après dilatation est:
V = (L0 + L)3 = L03 + 3L02 L + 3 L0 L2 + L3
Dans cette expression on peut négliger les deux derniers
termes qui sont beaucoup plus petits.
On trouve finalement:
V  3L02 L = 3L02  L0 T = 3  V0 T
26
Le coefficient de dilatation linéique
 (x 10-6)
Tf
Plomb
Aluminium
laiton
Argent
Or
Cuivre
Nickel
Fer
Tungstène
327.5
660.3
932
961.9
1064.4
1083.4
1455
1535
3410
29
25
18
19
14.2
16.6
13
12
4.5
Coeff icient de dilat ation linéïque ( x 10- 6)
35
30
25
20
15
10
5
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Température de fusion
27
La masse volumique
• En général pour tous les corps:
– La masse volumique du corps sous forme
solide est supérieure à la masse volumique
sous forme liquide.
– La masse volumique diminue si la température
augmente (la même masse occupe un plus
grand espace)
28
Le comportement de l’eau
• L’eau est une exception
999.5
999
998.5
Masse volumique (kg/m3)
– La glace a une masse
volumique plus petite que
celle de l’eau (elle flotte)
– L’eau présente une
anomalie de comportement
pour la masse volumique
entre 0°C et 4°C. Sa masse
est la plus grande à 4°C
1000
998
997.5
997
996.5
996
995.5
995
0
5
10
15
20
25
Tem pérature
29
30
La loi des gaz
30
Pourquoi les gaz sont différents?
Un gaz se comporte très différemment d’un solide ou d’un
liquide pour une raison fondamentale : les interactions entre
les atomes ou les molécules deviennent très faibles et peuvent
être négligées.
C’est pour cela qu’un gaz par exemple remplira toujours un
récipient en entier.
On a donc toujours à tenir compte de 3 paramètres:
•Le volume occupé V en m3
•La température T en degré Kelvin
•La pression sur les parois du récipient P en Pascal
31
La loi des gaz
Dans les gaz on doit toujours relier ces 3 paramètres
V
P
T
La loi des gaz parfaits nous donne la relation:
PV

T
constante
32
Et si un des paramètres reste constant
Si un des 3 paramètres (P, V, T) reste constant on peut
déduire 3 formes simplifiées qui, historiquement ont
été découvertes avant la loi des gaz parfaits. Ce sont
les lois de
• Charles
• Gay- Lussac
• Boyle- Mariotte
33
Volume constant
Situation expérimentale: On chauffe un gaz enfermé dans
un récipient. Sa température et sa pression changent.
T (en °C)
T (K)
P (en bar)
120
393
1.22
99
372
1.18
78
351
1.12
60
333
1.09
41
314
1.04
31
304
1
1.4
Loi de Charles
1.2
Pression
1
P = cte
T
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
50
100
150
200
250
Température
300
350
400
450
34
Température constante
Situation expérimentale: on agrandit ou on diminue le
volume dans lequel est enfermé le gaz (pompe à vélo,
seringue…)
V (cm3)
Pression (mb)
PxV
820
1
820
767
1.06
813
714
1.14
813
661
1.24
819
610
1.34
817
1.4
1.3
Loi Boyle-Mariotte
Pression
1.2
1.1
P * V = cte
1
0.9
0.8
500
600
700
Volume
800
900
35
Pression constante
Situation expérimentale: On chauffe un gaz dans un récipient
qui est fermé par un piston coulissant.
Soit 3 volumes de 0.5, 1 et 2 m3 dont on varie la température
3.50
Loi de Gay-Lussac
3.00
2.50
Volume
2.00
V = cte
T
1.50
1.00
0.50
0.00
-300
-200
-100
0
Température
100
200
36
Que vaut la constante dans la loi de gaz
PV
 nR
T
n= le nombre de moles
R= la constante des gaz parfait = 8.31 J/molesK
37
Qu’est-ce qu’une mole
Une mole est une quantité de matière. Elle corespond à un
certain nombre de molécules.
Une mole = 6.022 x 1023 molécules.
Ce nombre s’appelle le nombre d’Avogadro
On calcule la masse d’une mole (appelée masse molaire) en
s’intéressant à la composition chimique de la molécule.
• On cherche d’abord la masse atomique de la molécule
• On exprime cette masse en gramme.
38
Quelle volume occupe une mole de gaz ?
Ce volume dépendra de la pression et de la température.
On définit des conditions standard qui sont: 0 °C et 1 atm
Quel volume occupe une mole de gaz dans ces conditions ?
On sait que PV = nRT. Que vaut V pour n = 1 ?
V = RT/P
On trouve que le volume occupé est toujours de 22.4 litres.
STP = Standard température and pressure
T = 273 K et P = 1.013 x 105 Pascal
39
L’interprétation cinétique de la pression
La théorie cinétique met en relation des grandeurs telles
que la pression avec le comportement des molécules.
Paroi
Les molécules frappent en permanence
la paroi. L’effet sur la paroi dépend de:
• la vitesse moyenne des molécules
• Leur densité 
On peut calculer avec la théorie
cinétique que:
P = 1/3 v2qmoy
vqmoy= vitesse quadratique moyenne
40
L’interprétation cinétique de la température
A quel paramètre microscopique correspond la
température ?
La température est elle uniquement liée à la vitesse moyenne
des molécules dans le gaz. Elle est une mesure de l’énergie
cinétique moyenne.
L’énergie cinétique moyenne est par définition:
K =1/ mv2qmoy
La théorie cinétique nous indique que K = 3/2 k T
où k = la constante de Boltmann et vaut: 1.38 x 10-23 J/K
41
Variation des paramètres dans ce modèle
• Dans ce modèle on comprend pourquoi les
paramètres sont tous dépendants:
– Si on diminue le volume à T = constant, alors la
densité augmente, donc la pression aussi
– Si on chauffe un gaz, on augmente la vitesse
moyenne des molécules, donc aussi la pression
42