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Définition de : CHALEUR

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Article publié par Encyclopaedia Universalis CHALEUR La notion de chaleur a certainement pris une dimension nouvelle lorsque nos lointains ancêtres ont été en mesure de faire du feu : de ce jour s'est clairement établie l'idée que le chaud était l'antinomique du froid. Aujourd'hui, les scientifiques conçoivent l'un et l'autre comme des nuances, des degrés sur une immense échelle dont on entrevoit les plus bas échelons, ceux des très basses températures, mais dont le haut, celui des chaleurs extrêmes, est illimité. UUnnee éénneerrggiiee pprreessqquuee ccoommmmee lleess aauuttrreess La chaleur a longtemps été considérée comme une sorte de fluide indestructible et pondérable, baptisé le calorique, qui s'écoule d'un objet à un autre par contact, responsable du refroidissement du premier et du e réchauffement du second. Dès la fin du xviii siècle (1798), Benjamin Thompson, comte Rumford, montre que la fusion de la glace se fait sans changement de poids et que le forage d'un canon engendre de la chaleur. Il comprend que cette chaleur correspond au travail requis (énergie mécanique) pour le forage. Il prouve ainsi que le calorique est dépourvu de masse et qu'il n'est pas immuable puisqu'on peut en créer. Mais ce n'est qu'en 1842 que Julius Robert Mayer établit une corrélation entre chaleur et travail mécanique, deux formes d'énergie.
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CHALEUR

La notion de chaleur a certainement pris une dimension nouvelle lorsque nos lointains ancêtres ont été en mesure de faire du feu : de ce jour s'est clairement établie l'idée que le chaud était l'antinomique du froid. Aujourd'hui, les scientifiques conçoivent l'un et l'autre comme des nuances, des degrés sur une immense échelle dont on entrevoit les plus bas échelons, ceux des très basses températures, mais dont le haut, celui des chaleurs extrêmes, est illimité.

Une énergie presque comme les autres

La chaleur a longtemps été considérée comme une sorte de fluide indestructible et pondérable, baptisé le calorique, qui s'écoule d'un objet à un autre par contact, responsable du refroidissement du premier et du réchauffement du second. Dès la fin du xviiie siècle (1798), Benjamin Thompson, comte Rumford, montre que la fusion de la glace se fait sans changement de poids et que le forage d'un canon engendre de la chaleur. Il comprend que cette chaleur correspond au travail requis (énergie mécanique) pour le forage. Il prouve ainsi que le calorique est dépourvu de masse et qu'il n'est pas immuable puisqu'on peut en créer. Mais ce n'est qu'en 1842 que Julius Robert Mayer établit une corrélation entre chaleur et travail mécanique, deux formes d'énergie. L'année suivante, en 1843, James Prescott Joule réalise lui aussi une expérience donnant l'équivalence entre travail et chaleur, qui classe définitivement la chaleur comme une forme d'énergie. L'unité de chaleur, appelée calorie, est la quantité de chaleur nécessaire pour échauffer 1 gramme d'eau de 14,5 à 15,5 0C sous la pression atmosphérique. À la suite de l'expérience de Joule, l'équivalence entre chaleur et énergie se traduit par la relation : 1 calorie = 4,18 joules.

La chaleur est une forme d'énergie un peu particulière, car elle n'est pas tout à fait soumise aux mêmes règles d'équivalence que les autres : on peut transformer (à quelques pertes près) de l'énergie mécanique en énergie électrique (en entraînant une dynamo), et utiliser cette énergie électrique pour refaire de l'énergie mécanique (en faisant tourner un moteur) ; le travail mécanique récupéré en fin de cycle est (presque) identique à celui qui avait été introduit au départ. En revanche, s'il est facile de faire fondre de la glace en versant dessus de l'eau bouillante, le processus inverse est impossible. Cette irréversibilité des transferts de chaleur a donné naissance, au milieu du xixe siècle, au concept d'entropie.

La relation entre chaleur et énergie devient plus claire à partir de 1860, lorsque James Clerck Maxwell montre que la température d'un gaz, directement liée à son énergie thermique, se mesure à la vitesse d'agitation de ses molécules : à 20 0C, la vitesse moyenne des molécules d'air est d'environ 500 m /s, à 100 0C, elle est de 560 m /s. Ce qui est vrai pour les gaz l'est aussi pour les liquides et les solides. Ainsi, la chaleur n'est rien d'autre que l'agitation désordonnée des constituants de la matière. Chauffer un corps consiste à fournir de l'énergie de mouvement à ses atomes, énergie qui peut se distribuer de toutes sortes de façon : va-et-vient des molécules qui s'entrechoquent, vibration des atomes liés entre eux à l'intérieur d'une molécule, rotation de la molécule sur elle-même, etc. La chaleur massique d'un système mesure le rapport entre la chaleur fournie et l'élévation de température qui en résulte. Plus il y a de sortes de mouvements à exciter, plus cette chaleur massique est élevée.

Produire, refroidir, stocker

Depuis les temps les plus reculés, produire de la chaleur est une préoccupation majeure de l'homme, aussi bien dans sa vie quotidienne, pour se chauffer ou cuire ses aliments, que dans ses activités artisanales puis industrielles, pour forger le fer, couler le bronze ou fondre le verre. Pendant longtemps, la combustion du bois, de la tourbe et du charbon fut presque sa seule source de chaleur. Au xixe siècle, de nouveaux combustibles apparaissent : les huiles minérales, le pétrole, les gaz naturels ou de distillation de la houille. Mais, dans la course vers les hautes températures, suscitée autant par les développements technologiques que par les exigences des scientifiques, même les méthodes utilisant les combustibles et les comburants dans les meilleures conditions de mélange ne permettent guère de dépasser les 3 000 0C. L'apparition de nouvelles méthodes ne reposant plus sur la combustion a permis, dans la seconde moitié du xxe siècle, d'obtenir des températures beaucoup plus élevées. L'énergie dégagée par les réactions de fission et de fusion nucléaire, mais aussi celle que représente la focalisation du rayonnement issu de puissants lasers, ou l'échauffement électromagnétique d'un plasma permettent d'obtenir localement des températures qui dépassent la centaine de millions de degrés, se rapprochant ainsi des conditions qui règnent dans le cœur des étoiles.

Le transport de chaleur peut se faire soit par conduction directe à travers une pièce métallique comme le fond d'une poêle, soit par le déplacement d'un fluide chauffé mis en mouvement par convection. L'énergie thermique peut également se propager grâce au rayonnement infrarouge émis par un corps porté à haute température. Les hommes ont fait grand usage de ces voies traditionnelles, mais, aujourd'hui, ils disposent au quotidien de techniques nouvelles à hautes performances. Le chauffage par induction, qui crée la chaleur dans le fond de la casserole et le four à micro-ondes qui engendre l'agitation thermique directement à l'intérieur même de l'aliment en sont deux exemples.

La température n'est qu'une traduction numérique du contenu énergétique d'un objet. Lui injecter de la chaleur le chauffe, lui en extraire le refroidit. Cela n'est vrai que si l'objet reste dans le même état au cours de ces transferts. Il peut aussi lui arriver de changer de phase, de passer de l'état solide à l'état liquide, ou de l'état liquide à l'état gazeux et réciproquement. Au cours de ces changements de phase, le transfert de chaleur ne s'accompagne d'aucun changement de température. On peut ainsi construire des réservoirs de chaleur à température constante, dont le rôle est primordial en climatologie : la transformation de 1 kilogramme d'eau liquide en vapeur absorbe 2 450 kilojoules, soit la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 6 litres d'eau de 0 à 100 0C ! C'est ainsi que l'eau liquide, qui recouvre 71 p. 100 de la surface de la Terre, régule la température de l'atmosphère en absorbant de la chaleur pour s'évaporer et en la restituant lorsque la vapeur se condense en pluie.

Si, autrefois, chauffer un corps ne posait aucun problème, il était plus difficile de le refroidir, et ce n'est qu'au cours du xixe siècle que des techniques cryogéniques sont apparues, toutes fondées sur les changements d'état : lorsqu'on comprime un gaz à la température ambiante, il finit par se liquéfier, en dégageant de la chaleur qu'il est facile d'évacuer. On le laisse alors se détendre et redevenir gazeux, ce qui s'accompagne d'une absorption de chaleur qui refroidit l'enceinte où a lieu la détente. C'est le principe de base des générateurs de froid domestiques et industriels. En jouant habilement sur le choix des gaz et les refroidissements en cascade, on atteint par ces méthodes des températures de l'ordre de quelques millièmes de kelvin, très proches du zéro absolu de température (– 273,16 0C). D'autres méthodes plus sophistiquées, qui extraient directement la chaleur d'un ensemble d'atomes en les forçant à devenir immobiles, permettent de descendre encore plus bas, au-dessous du millionième de kelvin.

Du zéro absolu à des centaines de millions de degrés, l'homme a acquis une bonne maîtrise de la chaleur, du moins en laboratoire, mais peut-être a-t-il, en même temps, commencé à dérégler les échanges de chaleur à la surface de la Terre, avec les conséquences qu'on peut imaginer...

Auteur: Jean MATRICON
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