Énergie thermique - Définition
L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation désordonnée de ses molécules et de ses atomes. Les transferts d'énergie thermique entre corps sont appelés transferts de chaleur et jouent un rôle essentiel en thermodynamique. Ils atteignent un équilibre lorsque la température des corps en contact est égale.
Une énergie dissipative
L'énergie thermique à tendance à se répartir uniformément dans l'espace. Ce mécanisme naturel d'équilibre est un des mécanismes énoncés dans le principe zéro de la thermodynamique, qui comprend aussi l'équilibre mécanique (des pressions s'équilibrent), et l'équilibre chimique (les fluides se mélangent).
Les mécanismes de répartition de l'énergie thermique sont :
- Par contact direct
- la conduction thermique (transfert de l'énergie cinétique des molécules sans échange de matière)
- la convection (échange de matière entre fluides ou entre gaz)
La dissipation d'énergie thermique par contact se produit de façon disymétrique par rapport au temps, et se fait toujours du corps le plus chaud (celui dont la température est la plus élevée) vers le corps le plus froid. Ce phénomène est formalisé dans le second principe de la thermodynamique et limite les possibilités de transformer de l'énergie en travail. Il a été découvert lors de la réalisation des premiers moteurs.
- Au travers du vide
- Emission de photons, par le phénomène appelé rayonnement du corps noir
Un phénomène d'origine quantique à l'echelle macroscopique
De part sa nature, étant le reflet d'une activité au niveau moléculaire, l'énergie thermique est profondément quantique. En particulier, cette capacité à se transformer en énergie lumineuse par le rayonnement du corps noir est un témoignage direct des changements d'état des molécules et atomes composant l'objet. C'est un phénomène que nous pouvons observer quotidiennement, en observant des braises dans un feu de bois, ou tout simplement la lumière d'une ampoule électrique.
Un phénomène à l'origine de la découverte des lois de la mécanique quantique
L'étude précise du rayonnement du corps noir, et des lois déterminant la nature de la lumière émises à conduit à des paradoxes lorsqu'elle était faite avec les équations de la mécanique classique. C'est en cherchant à résoudre ce paradoxe que Planck introduit l'idée que la lumière n'était pas émise de manière continue, mais par paquets. Cette hypothèse se révéla vraie et est un des fondements de la mécanique quantique.
Cette propriété de la matière de rayonner son énergie thermique a une influence considérable sur notre environnement. C'est par ce phénomène que le soleil rayonne une partie de son énergie jusqu'à la terre, y apportant une source d'énergie essentielle aux conditions d'existence de la vie. De plus, les organismes vivants ont évolué pour tirer parti des informations rendues disponibles par ces rayons lumineux, en élaborant l'œil. Les longueurs d'onde lumineuse visibles pour l'homme, par exemple, sont autour de la longueur d'onde d'énergie maximale émise par le rayonnement du corps noir du soleil, qui se situe à 500 nm.
Énergie thermique et température
Lors de la mise en contact entre deux corps, un échange d'énergie thermique se produit. Le point d'équilibre est atteint lorsque les deux corps ont atteint la même température. La notion d'équilibre est une notion transitive. Si un corps A est en équilibre avec B, et que ce corps B est en équilibre avec un corps C, alors A et C sont aussi en équilibre. A, B et C ont la même température. Au début du XXe siècle, il a été jugé que cette loi, qui semble tenir du simple bon sens, méritait d'être formulée comme le principe 0 de la thermodynamique.
Bien que difficile à définir formellement, la température est une notion utilisée dans la vie courante, car facile à observer. Pour mesurer la température d'un corps, il suffit de le mettre en contact avec un thermomètre (par exemple un thermomètre à mercure), et d'en mesurer la graduation à l'équilibre thermique.
La capacité thermique massique d'un corps est une valeur définie pour exprimer la quantité d'énergie thermique nécessaire pour augmenter la température de ce corps d'un degré Celsius. La capacité thermique massique dépend en général de la composition du corps et de sa température.
Énergie thermique et état de la matière
En fournissant de l'énergie thermique à un corps, on peut en changer l'état, le faisant passer par exemple de l'état solide à l'état liquide.
À condition de pression donnée, ces changements d'état se font toujours à la même température, pour un corps d'une composition donnée. C'est cette propriété qui a été utilisée, ainsi que des considérations d'origine thermodynamiques pour définir l'echelle de température kelvin, en se basant sur les changements d'état de l'eau.
