La chaleur nous est familière à tous. Nous pouvons sentir la chaleur entrer dans notre corps par le soleil d'été ou par le café ou le thé chaud après une promenade hivernale. Nous pouvons également sentir la chaleur quitter notre corps lorsque nous ressentons le froid de la nuit ou l'effet rafraîchissant de la sueur après l'exercice.
Qu'est-ce que la chaleur ? Comment la définir et comment est-elle liée à la température ? Quels sont les effets de la chaleur et comment circule-t-elle d'un endroit à l'autre ? Nous constaterons que, malgré la richesse des phénomènes, un petit ensemble de principes physiques sous-jacents unit ces sujets et les relie à d'autres domaines. Nous commençons par examiner la température et la façon de la définir et de la mesurer.
Température
Le concept de température a évolué à partir des concepts communs de chaud et de froid. La définition scientifique de la température explique plus que nos sens du chaud et du froid. Comme vous l'avez peut-être déjà appris, de nombreuses quantités physiques sont définies uniquement en fonction de la manière dont elles sont observées ou mesurées, c'est-à-dire qu'elles sont définies de manière opérationnelle. La température est définie de manière opérationnelle comme la quantité de ce que nous mesurons avec un thermomètre. Comme nous le verrons en détail dans un chapitre ultérieur sur la théorie cinétique des gaz, la température est proportionnelle à l'énergie cinétique moyenne de translation, un fait qui fournit une définition plus physique. Les différences de température maintiennent le transfert de chaleur, ou la transmission de chaleur, dans tout l'univers. Le transfert de chaleur est le mouvement de l'énergie d'un endroit ou d'un matériau à un autre à la suite d'une différence de température. (Vous en apprendrez plus sur le transfert de chaleur plus loin dans ce chapitre).
Équilibre thermique
Un concept important lié à la température est l'équilibre thermique. Deux objets sont en équilibre thermique s'ils sont en contact étroit qui permet à l'un de gagner de l'énergie de l'autre, mais néanmoins, aucune énergie nette n'est transférée entre eux. Même lorsqu'ils ne sont pas en contact, ils sont en équilibre thermique si, lorsqu'ils sont mis en contact, aucune énergie nette n'est transférée entre eux. Si deux objets restent en contact pendant une longue période, ils s'équilibrent généralement. En d'autres termes, deux objets en équilibre thermique n'échangent pas d'énergie.
Expérimentalement, si l'objet A est en équilibre avec l'objet B, et que l'objet B est en équilibre avec l'objet C, alors (comme vous l'avez peut-être déjà deviné) l'objet A est en équilibre avec l'objet C. Cette déclaration de transitivité est appelée la loi de zéro de la thermodynamique. (Le nombre "zéro" a été suggéré par le physicien britannique Ralph Fowler dans les années 1930. Les première, deuxième et troisième lois de la thermodynamique étaient déjà nommées et numérotées à l'époque. La loi du zéro avait rarement été énoncée, mais elle doit être discutée avant les autres, c'est pourquoi Fowler lui a donné un nombre plus petit). Prenons le cas où A est un thermomètre. La loi des zéros nous dit que si A lit une certaine température lorsqu'il est en équilibre avec B, et qu'il est ensuite mis en contact avec C, il n'échangera pas d'énergie avec C ; par conséquent, sa lecture de température restera la même. En d'autres termes, si deux objets sont en équilibre thermique, ils ont la même température.
Si le thermomètre A est en équilibre thermique avec l'objet B, et que B est en équilibre thermique avec C, alors A est en équilibre thermique avec C. Par conséquent, la lecture de A reste la même lorsque A est déplacé pour entrer en contact avec C.
Un thermomètre mesure sa propre température. C'est grâce aux concepts de l'équilibre thermique et de la loi du zéro de la thermodynamique que nous pouvons dire qu'un thermomètre mesure la température d'une autre chose, et pour donner un sens à l'affirmation selon laquelle deux objets sont à la même température.
Nous faisons souvent référence à des "systèmes" plutôt qu'à des "objets". Un système est constitué d'un ou plusieurs objets, mais en thermodynamique, nous exigeons qu'un système soit macroscopique, c'est-à-dire qu'il soit constitué d'un nombre énorme (comme 1023) de molécules. On peut alors dire qu'un système est en équilibre thermique avec lui-même si toutes ses parties sont à la même température. (Nous reviendrons sur la définition d'un système thermodynamique dans le chapitre sur la première loi de la thermodynamique).
Download for free at https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-2
