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Les unités de mesure de la chaleur
La chaleur est une forme d’énergie, donc elle est mesurée en joules (J) ou en calories (cal). Une calorie est l’énergie nécessaire pour élever de 1 degré Celsius la température d’un gramme d’eau. En d’autres termes, si on brûle une feuille de papier d’une masse de 1 gramme, la quantité de chaleur libérée est d’environ 4 calories. En général, les calculs de la chaleur se font en joules, qui est l’unité de mesure du système international (SI).
Calculer la chaleur par conduction
La conduction est le transfert de chaleur d’un objet à un autre en raison de leur contact direct. Pour calculer la quantité de chaleur transférée par conduction, il faut connaître la conductivité thermique des matériaux et la différence de température entre les deux objets. La formule pour calculer la chaleur est :
q = k × A × ΔT ÷ d
Où :
– q est la quantité de chaleur transférée (en joules)
– k est la conductivité thermique du matériau (en W/mK)
– A est l’aire de la surface (en m²)
– ΔT est la différence de température entre les deux objets (en K)
– d est l’épaisseur du matériau (en m)
Par exemple, si on veut calculer la quantité de chaleur transférée à travers une plaque en acier d’une épaisseur de 0,5 cm (0,005 m) avec une différence de température de 20°C entre les deux côtés, et avec une aire de 1 m², la formule donne :
q = 60 × 1 × 20 ÷ 0,005 = 2 400 J
Ainsi, la quantité de chaleur transférée est de 2 400 joules.
Calculer la chaleur par convection
La convection est le transfert de chaleur par le mouvement de fluides, tels que l’air ou l’eau. La quantité de chaleur transférée par convection dépend de la vitesse du fluide, de la surface chauffée et de la différence de température. La formule pour calculer la chaleur par convection est généralement complexe et dépend du système particulier. En général, on utilise des équations empiriques ou des tableaux de données pour estimer la quantité de chaleur transférée par convection.
Calculer la chaleur par rayonnement
Le rayonnement est le transfert de chaleur par les ondes électromagnétiques, telles que la lumière. La quantité de chaleur transférée par rayonnement dépend de la température de l’objet émettant le rayonnement, de la température de l’objet recevant le rayonnement, de la distance entre les deux objets et des propriétés de réflexion et d’absorption des matériaux environnants. La formule pour calculer la chaleur par rayonnement est :
q = ε × σ × A × (T1⁴ – T2⁴)
Où :
– q est la quantité de chaleur transférée (en joules)
– ε est l’émissivité de l’objet émettant le rayonnement
– σ est la constante de Stefan-Boltzmann (5,67 × 10^-8 W/m^2K^4)
– A est l’aire de la surface émettant le rayonnement (en m²)
– T1 est la température de l’objet émettant le rayonnement (en K)
– T2 est la température de l’objet recevant le rayonnement (en K)
Par exemple, si on veut calculer la quantité de chaleur transférée par rayonnement d’un four à une température de 500°C à une distance de 0,5 m, sur une surface d’acier inoxydable d’une aire de 1 m² et à une température ambiante de 20°C, la formule donne :
q = 0,4 × 5,67 × 10^-8 × 1 × (823⁴ – 293⁴) = 1,8 × 10^3 J
Ainsi, la quantité de chaleur transférée par rayonnement est de 1 800 joules.
Conclusion
La chaleur est mesurée en joules ou en calories et peut être transférée par conduction, convection ou rayonnement. Pour calculer la quantité de chaleur transférée, il faut connaître les propriétés physiques des matériaux, la différence de température entre les deux objets et les propriétés d’absorption et de réflexion des matériaux environnants. Les calculs de la chaleur sont importants dans de nombreuses applications, allant du chauffage à la production d’électricité.
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