vignette|Le Soleil et la Terre constituent un exemple continu de processus de chauffage. Une partie du rayonnement thermique du Soleil frappe et chauffe la Terre. Par rapport au Soleil, la Terre a une température beaucoup plus basse et renvoie donc beaucoup moins de rayonnement thermique au Soleil. La chaleur dans ce processus peut être quantifiée par la quantité nette et la direction (Soleil vers Terre) d'énergie échangée lors du transfert thermique au cours d'une période de temps donnée.
En thermodynamique, la chaleur est l'énergie échangée lors d'un transfert thermique vers ou depuis un système thermodynamique en raison d'une différence de température et par des mécanismes autres que le travail thermodynamique ou le transfert de matière.Max Born, 1949, p. 31.Brian Pippard, 1957/1966, p. 16.Lev Landau, Evgueni Lifchits, 1958/1969, p. 43.Herbert Callen, 1960/1985, p. 18–19.M. Bailyn, 1994, p. 82..
Le transfert de chaleur est un processus impliquant plus d'un système, et non une propriété d'un seul système. En thermodynamique, l'énergie transférée sous forme de chaleur contribue au changement de la fonction d'état d'énergie interne ou d'enthalpie du système. La « chaleur » dans le langage ordinaire est au contraire considérée comme une propriété d'un système isolé.
La quantité d'énergie transférée sous forme de chaleur dans un processus est la quantité d'énergie transférée à l'exclusion de tout travail thermodynamique effectué et de toute énergie contenue dans la matière transférée. Pour avoir une définition précise de la chaleur, il faut qu'elle se produise par un chemin qui n'inclut pas de transfert de matièreMax Born, 1949, p. 44..
La quantité d'énergie transférée sous forme de chaleur peut être mesurée par son effet sur les états des corps en interaction. Par exemple, le transfert de chaleur peut être mesuré par la quantité de glace fondue, ou par le changement de température d'un corps dans l'environnement du systèmeJames Clerk Maxwell, 1871, Chapter III.. Ces méthodes font partie de la calorimétrie.
Le symbole conventionnel utilisé pour représenter la quantité de chaleur transférée dans un processus thermodynamique est . En tant que quantité d'énergie transférée, l'unité SI de chaleur est le joule (J).
Notation et unités En tant qu'énergie, la chaleur a pour unité joule (J) dans le Système international d'unités (SI). Cependant, dans des domaines appliqués à l'ingénierie, la calorie ou la British thermal unit (BTU, pour les pays anglo-saxons) sont souvent utilisées. L'unité standard pour le taux de chaleur transférée est le watt (W), défini comme un joule par seconde.
L'utilisation du symbole pour la quantité totale d'énergie transférée sous forme de chaleur est due à Rudolf Clausius en 1850 :
La chaleur dégagée par un système vers son environnement est par convention une quantité négative () ; tandis que lorsqu'un système absorbe la chaleur de son environnement, elle est respectivement positive (). Le flux thermique, ou flux de chaleur, est noté ou . Cette dernière notation ne doit pas être confondu avec une dérivée temporelle d'une fonction d'état car la chaleur n'est pas une fonction d'étatR. Baierlein, 1999, p. 21.. La densité de flux thermique est définie comme le taux de transfert de chaleur par unité de section transversale (watts par mètre carré).
Thermodynamique
Chaleur et entropie vignette| Rudolf Clausius. En 1856, Rudolf Clausius, se référant à des systèmes fermés dans lesquels les transferts de matière ne se produisent pas, définit ainsi le deuxième principe de la thermodynamique : Rudolf Clausius, 1854.Rudolf Clausius, 1865, p. 125–126. :
En 1865, il en vient à définir l'entropie symbolisée par , de telle sorte que, du fait de l'apport de la quantité de chaleur à la température , l'entropie du système est augmentée de :
Dans un transfert d'énergie sous forme de chaleur sans travail, il y a des changements d'entropie à la fois dans l'environnement qui perd de la chaleur et dans le système qui en gagne. L'augmentation de l'entropie dans le système peut être décomposée en deux parties : un incrément , qui correspond à la variation d'entropie dans l'environnement, et un incrément supplémentaire , qui peut être considéré comme « généré » ou « produit » dans le système. D'où :
Le changement total d'entropie dans le système et dans son environnement est donc :
On dit alors qu'une quantité d'entropie a été transférée de l'environnement vers le système. Du deuxième principe de la thermodynamique découle celui du transfert spontané de chaleur, dans lequel la température du système est différente de celle de l'environnement :
Pour l'analyse mathématique des transferts, on utilise souvent des processus fictifs dits réversibles, la température du système étant à peine inférieure à celle du milieu environnant et le transfert se déroulant à une vitesse imperceptiblement lente. Selon la définition de la formule , pour un tel processus fictif réversible, une quantité de chaleur transférée (différentielle inexacte) est analysée comme , avec une différentielle exacte :
Cette égalité n'est valable que pour un transfert fictif dans lequel il n'y a pas de production d'entropie, c'est-à-dire qu'on a . Si, au contraire, le processus est réel avec irréversibilité, alors il y a production d'entropie telle que . La quantité est appelée par Clausius la , expression qui ne concorde pas avec la terminologie actuelle. Cela conduit à :
qui est le deuxième principe de la thermodynamique pour les systèmes fermés.
En thermodynamique hors équilibre, qui fait l'hypothèse d'un équilibre thermodynamique local, une notation spéciale est définie. Le transfert d'énergie sous forme de chaleur est supposé avoir lieu à travers une différence de température infinitésimale, de sorte que l'élément du système et son environnement ont presque la même température . On écrit
où par définition :
Le deuxième principe pour un processus naturel affirme ainsi queS.R.De Groot, Peter Mazur, 1962, p. 20.D. Kondepudi, Prigogine, I., 1998, p. 82.F. Kondepudi, 2008, p. 114.G. Lebon, D. Jou, J. Casas-Vásquez, 2008, p. 41. :
Chaleur et enthalpie
Pour un système fermé (un système à partir duquel aucune matière ne peut entrer ou sortir), une version du premier principe de la thermodynamique stipule que le changement d'énergie interne du système est égal à la quantité de chaleur fournie au système moins la quantité de travail thermodynamique effectué par le système sur son environnement.
Cette formule peut être réécrite de manière à exprimer une définition de la quantité d'énergie transférée sous forme de chaleur, basée uniquement sur le concept de travail adiabatique, si l'on suppose que est défini et mesuré uniquement par des processus de travail adiabatique :
Le travail thermodynamique effectué par le système passe par des mécanismes définis par ses variables d'état thermodynamiques, par exemple son volume , et non par des variables qui impliquent nécessairement des mécanismes dans l'environnement. L'énergie interne est une fonction d'état. Dans les processus cycliques, tels que le fonctionnement d'une machine thermique, les fonctions d'état reviennent à leurs valeurs initiales à la fin d'un cycle. La différentielle, ou incrément infinitésimal, d'énergie interne dans un processus infinitésimal est une différentielle exacte . En revanche, aucun des incréments infinitésimaux et dans un processus infinitésimal ne représente l'état du système. Ainsi, des incréments infinitésimaux de chaleur et de travail sont des différentielles inexactes.
Le deuxième principe de la thermodynamique énonce que si de la chaleur est fournie à un système dans lequel aucun processus irréversible n'a lieu et qui a une température bien définie, alors l'incrément de chaleur et la température forment la différentielle exacte :
et , l'entropie du corps, est une fonction d'état. De même, avec une pression bien définie derrière la frontière mobile, la différentielle de travail et la pression se combinent pour former la différentielle exacte :
avec le volume du système, qui est une variable d'état. En général, pour les systèmes homogènes :
Cette équation illustre le fait que l'énergie interne peut être considérée comme une fonction de ses variables naturelles et Herbert Callen, 1985, Section 2-3, p. 40–42.C.J. Adkins, 1983, p. 101. :
Si est constant :
ou si est constante :
avec l'enthalpie. L'enthalpie peut être considérée comme une fonction de ses variables naturelles et pouvant s'écrireHerbert Callen, 1985, p. 147. :
Comme l'énergie interne, l'enthalpie exprimée en fonction de ses variables naturelles est un potentiel thermodynamique et contient toutes les informations thermodynamiques sur un corpsC.J. Adkins, 1983, p. 100–104.. Si une quantité de chaleur est ajoutée à un corps pendant qu'il effectue un travail d'expansion sur son environnement, on a :
Si cela est contraint de se produire à pression constante, avec , le travail d'expansion effectué par le corps est donné par . Avec le premier principe de la thermodynamique, on a :
et
Par conséquent, par substitution, on a, à pression constante :
Dans ce cas particulier, l'augmentation d'enthalpie est égale à la quantité de chaleur ajoutée au système. Étant donné que de nombreux processus se déroulent à pression constante, ou approximativement à la pression atmosphérique, l'enthalpie est couramment utilisée pour calculer la chaleurC.J. Adkins, 1968/1983, p. 46.. Elle est parfois également appelée fonction de chaleurM. Bailyn, 1994, p. 208.. Exprimé en fonction des variables naturelles et de la fonction d'état , ce processus de changement d'état de l' à l' peut s'écrire, à pression constante :
Par conséquent :
Dans ce cas, l'intégrale donne la quantité de chaleur transférée à pression constante.
Histoire En langage commun, la chaleur (tout comme l'anglais heat, l'allemand Wärme, le latin calor, le grec ) désigne la perception humaine de l'énergie thermique et de la température. La spéculation sur l'énergie thermique ou la « chaleur » en tant que forme distincte de la matière possède une longue histoire, incarnée notamment par la théorie calorique, le phlogistique et le signe feu.
La compréhension moderne de l'énergie thermique provient de la théorie mécanique de la chaleur de Thompson de 1798 (« »), postulant un équivalent mécanique de la chaleur. Une collaboration entre Nicolas Clément et Sadi Carnot (Réflexions sur la puissance motrice du feu) dans les années 1820 aboutit à des réflexions proches.. En 1845, James Prescott Joule publie un article intitulé , dans lequel il spécifie une valeur numérique pour la quantité de travail mécanique nécessaire pour . La théorie de la thermodynamique classique mûrit dans les années 1850 à 1860. Dans (1863), John Tyndall contribue à populariser l'idée de la chaleur comme un mouvement auprès du public anglophone. La théorie est développée dans des publications académiques en français, anglais et allemand. Dès ce moment, le terme technique français chaleur utilisé par Carnot est traduit par l'anglais et l'allemand .
La fonction est introduite par Rudolf Clausius en 1850. Clausius la décrit avec le composé allemand , traduisible par « quantité de chaleur ».
James Clerk Maxwell, dans sa (1871), énonce quatre stipulations pour la définition de la chaleur :
c'est , selon le deuxième principe de la thermodynamique ; c'est une et elle peut donc être traitée mathématiquement ; elle , car elle peut être transformée en quelque chose qui n'est pas une substance matérielle, par exemple un travail mécanique ; la chaleur est James Clerk Maxwell, 1871, p. 7..