La matière est constituée d’un nombre trop grand d’entités (atomes, molécules, ions) pour que l’on puisse appliquer les lois physiques à l’échelle microscopique. On est donc obligé de décrire le comportement collectif d’un grand nombre d’espèces chimiques à l’aide de grandeurs physiques macroscopiques, mesurables à l’échelle humaine telles que la pression $\rm P$, le volume $\rm V$ ou la température $\rm T$.
La constante d’Avogadro, notée $\rm N_A$, permet de faire le lien entre le réel à l’échelle microscopique et le réel tel qu’on l’appréhende, à l’échelle macroscopique.
\[\color{pink}{\boxed{\color{black}{\bf N_A = 6,02 \times 10^{23}~mol^{-1}}}}\]
La température est une grandeur physique universelle. Cette mesure s’effectue avec un thermomètre gradué en degrés Celsius (noté °C). Il existe d’autres unités de mesure : le degré Kelvin.
\[\color{green}{\boxed{\color{cyan}{°C = K - 273}}}\]
La quantité d’énergie est mesurée en Joule, ou $\rm J$ (et donc $\rm 1~kiloJoule$, noté $\rm kJ$, vaut $\rm 1~000~Joules$).
$\color{red}{\text{L'énergie interne U}}$ d'un système macroscopique est égale à la somme de :
- L'énergie cinétique microscopique de chaque particule du système. Elle est fonction de l'agitation thermique, donc de la température ;
- L'énergie potentielle d'interactions microscopiques entre les particules due aux interactions gravitationnelle, électromagnétique, forte et faible entre les particules du système.
\[\rm U = E_c (micro) + E_p(micro)\]
La capacité thermique $\rm C$ d’un corps condensé (solide ou liquide) correspond à l’énergie interne nécessaire pour augmenter sa température de $\rm 1°C$ sans le faire changer d’état physique.
On utilise couramment la capacité thermique massique $c$ (en $\rm J.kg^{-1}.°C^{-1}$) et dans ce cas, on obtient la relation :
\[\rm \Delta U ~\boxed{?}~ m \times c \times \Delta T\]
Plus la capacité thermique massique d’un corps est grande, plus ce corps refroidit ou réchauffe difficilement.
Ex : $\rm c_{Aluminium} = 897~J.K^{-1}.kg^{-1}$ et $\rm c_{eau} = 4,18 \cdot 10^3~J.K^{-1}.kg^{-1}$.
Il faut beaucoup plus apporter d’énergie à l’eau pour la réchauffer. Par contre, celle-ci est un meilleur isolant car elle refroidira plus difficilement.
Les transferts thermiques :
Energie interne et température :
Lorsqu’un corps de masse $m$, liquide ou solide, passe d’une température initiale $\rm T_I$ à une température finale $\rm T_F$, sa variation d’énergie interne $\rm \Delta U$ a pour expression :
\[\color{black}{\begin{array}{lll}
\Delta \mathrm U = m \cdot c \cdot (\rm T_F - T_I)\\
\boxed{\Delta \mathrm U = m\cdot c\cdot \Delta \rm T}\end{array} \left| \begin{array}{lll}
\Delta \rm U~en~J\\
\Delta \text{T en kelvins (K) ou °C}\\
m \text{ en kg}\\
c \text{ en } \rm J.kg^{-1}.K^{-1}\text{ ou en } \rm J.kg^{-1}.°C^{-1}\end{array}\right.}\]
La grandeur $c$ est appelée « capacité thermique massique » du solide ou du liquide en question.Elle représente l’énergie qu’il faut fournir pour augmenter de $\rm 1~K$ la température d’un kilogramme de ce solide ou liquide.
Flux thermique :
Le flux thermique $\Phi$ à travers une surface est la puissance thermique qui la traverse. Ce flux évalue la vitesse du transfert thermique $Q$ pendant une durée de $\Delta t$. Il va spontanément de la source chaude vers la source froide :
\[\color{pink}{\boxed{\color{black}{\boxed{\Phi = \frac{Q}{\Delta t}} \left| \begin{array}{lll}
\Phi \text{ en watt (W)}\\
\Delta t \text{ en seconde (s)}\\
Q \text{ en joule (J)}\\
\end{array}\right.}}}\]
