FORMULES de PHYSIQUE
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CRéATION de CHALEUR
-création de chaleur
PRINCIPE de CRÉATION de CHALEUR
Rappelons qu'une énergie noble peut éventuellement se transformer intégralement en une autre forme d'énergie noble, mais que la chaleur (qui n'est pas noble) ne peut prétendre à cette même transformation
L'équation de transformation des énergies donne le bilan énergétique ci-après :
Ena = (%Ena) + Enm,nc,né....+ Eq
Cela signifie qu'une énergie noble En d'un type a(soit Ena) peut :
-d’une part, ne pas se transformer du tout (%Ena qui reste en type Ena et qui est l’anergie)
-d’autre part se transformer en autres énergies nobles (mécanique, chimique, électrique, rayonnement) = c’est la partie (Enm,nc,né....)
-et enfin se transformer en énergie thermique (la chaleur) non noble (Eq)
-la somme (Enm,nc,né..... + Eq ) est nommée exergie
L'énergie dissipée dans ces échanges provoque l'augmentation d’énergie cinétique des atomes du corps (frottements) ce qui se traduit par élévation de température (gain de chaleur)
Une conversion d'énergie de "noble" en "noble" est en général partielle, mais peut être totale, en conditions idéales
-dégénérescence thermodynamique
Il n’apparaît pas spontanément de réordonnancement, ni de travail dans un système quand il y a présence d’énergie sous la forme de chaleur (la chaleur est considérée comme "dégénérée", puisqu’incapable de se convertir totalement en une autre forme utilisable d’énergie)
LES 4 SOURCES de CRÉATION de CHALEUR
Les 4 sources (dites nobles) proviennent toutes de chocs interparticulaires
-cas de l'énergie mécanique transformée en chaleur
Exemple d'énergie cinétique (cas général)
Eq = Δ(Ec+ Ep)
où Eq(J)= quantité de chaleur récoltée
Δ(Ec+Ep)= variations des énergies cinétique et potentielle pendant le même temps
Pour la part d’énergie cinétique Ec entre les atomes d’un corps >>> elle crée de la chaleur, mais au zéro absolu, il n’y a plus de mouvement, donc plus de Ec
Exemple d'un glissement
Eq = Fp.l.cosθ
avec Eq(J)= énergie thermique créée dans un glissement entre 2 corps solides
Fp(N)= poids du corps qui se déplace par rapport à l’autre corps
θ(rad)= angle du plan de déplacement par rapport au sol
l(m)= distance de déplacement
La répartition de cette énergie thermique Eq se fait entre les 2 corps :
-pour le corps mobile dans ce frottement (indices m) le pourcentage d’énergie est
%(Eq)m = (c*m.ρ 'm.S²/ d’) où S(m²)= surface de frottement
c*m(W/m-K)= résistance linéique thermique du corps mobile
ρ‘m(kg/m3)= masse volumique du corps mobile
d’(kg/s-K)= coefficient de convexion
-pour le corps support dans ce frottement (indices s) le pourcentage d’énergie est
%(Eq)s = (c*s.ρ's.S²/ d’) symboles identiques à ci-dessus
La chaleur se dissipe mieux dans un corps ayant le meilleur rapport (c*s.ρ's / d’)
Exemple des gaz >> voir chapitre gaz parfaits
Equation de Van der Waals : (p + Ew / V).(V* -V*c) = R*m.T
-cas de l'énergie chimique transformée en chaleur –c’est surtout l’énergie de combustion (échange particulaire entre corps)--
Exemple général
Eq = m.q’p
m(kg)= masse des substances pour combustion
q’p(J/kg)= pouvoir calorifique massique
Dans une réaction chimique, la chaleur (énergie) de réaction -à pression constante- est égale à la variation d’enthalpie, d'où : dH = ΔCp.dT
dH(J)= dégagement de chaleur (variation d’enthalpie) de la réaction, qui s’effectue à température T(K)
ΔCp(J/K)= variation (entre début et fin de réaction) de la capacité thermique à pression constante
Exemple d'énergie de combustion (ou chaleur de combustion) qui provient d'une réaction chimique impliquant un combustible (réducteur) et un comburant (oxydant) qui est productrice d’énergie -dont l’énergie calorifique- ainsi que de rayonnements, dont ceux émis en lumière visible (le feu)
Eq = q’p.m
où Eq (J)= énergie calorifique dégagée par la combustion d’un corps
Eq est parfois exprimée en thermies (1Th = 4,185.106 J ) ou en kWh (1kWh = 3,6.106 J)
q’p(J/kg)= pouvoir calorifique massique du corps
m(kg)= masse des corps consumés
Exemple d'énergie d’explosion
Un explosif est un corps dissipant une forte énergie dans un temps très court.On compare les corps explosifs au trinitrotoluène (T.N.T),qui sert de référence :1 kilotonne de T.N.T produit environ 1012 Joules
Une bombe atomique style A-Hiroshima développe une énergie d’environ 2.1013 J
Une très grosse explosion volcanique peut être estimée à 1020 Joules (# 10 millions de bombes A)
-cas de l'énergie électrique transformée en chaleur
L’énergie électrique est convertible en énergie calorifique selon la loi de Joule, soit :
Eq = U.i.t = U².t / R
avec Eq(J)= quantité de chaleur récoltée depuis un circuit conducteur (résistance des atomes d’un conducteur, s’opposant au courant ou effet Joule)
U(V)= tension du circuit
i(A)= intensité (courant) parcourant le circuit
t(s)= durée du phénomène
R(Ohm)= résistance du circuit
-cas de l'énergie de rayonnement transformée en chaleur
Les rayonnements thermiques créent l’apparition de chaleur grâce à l’absorption des rayons heurtant les particules constitutives d’un corps.
Eq = p*é.bt.S.t.cosθ
où Eq(J)= quantité de chaleur récoltée (action des rayons heurtant les particules constitutives d’un corps)
p*é(W/m²)= puissance surfacique (dite parfois éclairement énergétique) reçue
S’il s’agit de la puissance surfacique reçue du soleil, p*évaut 168 W/m² en moyenne
bt(nombre)= coefficient -ou taux- d’absorptivité
S(m²)= surface de réception
t(s)= temps de réception
θ(rad)= angle entre le rayonnement et la normale à la surface de réception