La chaleur en tant que forme d’énergie
Parce que toutes les nombreuses formes d’énergie, y compris la chaleur, peuvent être converties en travail, les quantités d’énergie sont exprimées en unités de travail, comme les joules, les pieds-livres, les kilowattheures ou les calories. Il existe des relations exactes entre les quantités de chaleur ajoutées ou retirées d’un corps et l’ampleur des effets sur l’état du corps. Les deux unités de chaleur les plus couramment utilisées sont la calorie et l’unité thermique britannique (BTU). La calorie (ou gramme-calorie) est la quantité d’énergie nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau de 14,5 à 15,5 °C ; le BTU est la quantité d’énergie nécessaire pour élever la température d’une livre d’eau de 63 à 64 °F. Un BTU correspond à environ 252 calories. Les deux définitions précisent que les changements de température doivent être mesurés à une pression constante d’une atmosphère, car les quantités d’énergie impliquées dépendent en partie de la pression. La calorie utilisée pour mesurer le contenu énergétique des aliments est la grande calorie, ou kilogramme-calorie, égale à 1 000 grammes-calories.
En général, la quantité d’énergie nécessaire pour élever une unité de masse d’une substance à travers un intervalle de température spécifié est appelée la capacité thermique, ou la chaleur spécifique, de cette substance. La quantité d’énergie nécessaire pour élever la température d’un corps d’un degré varie en fonction des contraintes imposées. Si l’on ajoute de la chaleur à un gaz confiné à volume constant, la quantité de chaleur nécessaire pour provoquer une élévation de température d’un degré est moindre que si l’on ajoute de la chaleur au même gaz libre de se dilater (comme dans un cylindre équipé d’un piston mobile) et donc de fournir un travail. Dans le premier cas, toute l’énergie est consacrée à l’augmentation de la température du gaz, mais dans le second cas, l’énergie contribue non seulement à l’augmentation de la température du gaz mais fournit également l’énergie nécessaire au travail effectué par le gaz sur le piston. Par conséquent, la chaleur spécifique d’une substance dépend de ces conditions. Les chaleurs spécifiques les plus couramment déterminées sont la chaleur spécifique à volume constant et la chaleur spécifique à pression constante. En 1819, les scientifiques français Pierre-Louis Dulong et Alexis-Thérèse Petit ont montré que les capacités thermiques de nombreux éléments solides étaient étroitement liées à leur poids atomique. La loi dite de Dulong et Petit a été utile pour déterminer les poids atomiques de certains éléments métalliques, mais elle comporte de nombreuses exceptions ; les écarts se sont révélés par la suite explicables sur la base de la mécanique quantique.
Il est incorrect de parler de la chaleur d’un corps, car la chaleur se limite à l’énergie transférée. L’énergie stockée dans un corps n’est pas de la chaleur (ni du travail, car le travail est aussi de l’énergie en transit). Il est toutefois habituel de parler de chaleur sensible et de chaleur latente. La chaleur latente, également appelée chaleur de vaporisation, est la quantité d’énergie nécessaire pour transformer un liquide en vapeur à température et pression constantes. L’énergie nécessaire pour faire fondre un solide en liquide est appelée chaleur de fusion, et la chaleur de sublimation est l’énergie nécessaire pour changer un solide directement en vapeur, ces changements ayant également lieu dans des conditions de température et de pression constantes.
L’air est un mélange de gaz et de vapeur d’eau, et il est possible que l’eau présente dans l’air change de phase ; c’est-à-dire qu’elle peut devenir liquide (pluie) ou solide (neige). Pour distinguer l’énergie associée au changement de phase (la chaleur latente) de l’énergie nécessaire à un changement de température, le concept de chaleur sensible a été introduit. Dans un mélange de vapeur d’eau et d’air, la chaleur sensible est l’énergie nécessaire pour produire un changement de température particulier, à l’exclusion de toute énergie requise pour un changement de phase.