Énergie thermique, partie 1 : Qu'est-ce que la chaleur ?

Cet article décrit la chaleur et la température à l'intention de quiconque souhaite approfondir ses connaissances en thermorégulation. Pour ce faire, une brève explication de quelques principes physiques fondamentaux s'impose. Nous commencerons par là avant d'aborder la question pratique de l'importance de ces concepts.

Qu'est-ce que la chaleur ?

À son niveau le plus fondamental, la chaleur est une forme d'énergie. Souvent appelée énergie thermique, la chaleur est un type d'énergie cinétique (l'énergie cinétique étant l'énergie du mouvement) qui agit au niveau moléculaire. La chaleur a été décrite comme « notre perception macroscopique des particules en mouvement : plus elles se déplacent rapidement, plus une substance nous paraît chaude ».

Vous connaissez déjà l'énergie cinétique, même sans y penser, car elle est inhérente à tout ce qui bouge. Lorsque vous conduisez, vous en faites l'expérience à travers le mouvement du véhicule. Pour vous arrêter, vous exercez une force opposée – le frottement des freins – qui convertit la quasi-totalité de l'énergie cinétique de la voiture en énergie thermique. C'est pourquoi des freins usés chauffent et fument (une petite partie de l'énergie est également convertie en son, comme le grincement que vous entendez lorsqu'il est temps de changer les plaquettes de frein).

L'énergie cinétique d'une voiture dépend de deux facteurs : sa masse (taille et poids) et sa vitesse. De ces deux facteurs, la vitesse a une influence bien plus importante, car l'énergie cinétique est égale au carré de la vitesse (Ec = ½mv²). Nous avons utilisé une voiture comme exemple, mais ce principe s'applique à tout objet doté d'une masse et d'un mouvement – ​​littéralement tout dans l'univers, à l'exception des particules de la taille d'un atome.[1]

Pour comprendre la chaleur, il faut considérer la matière à l'échelle bien inférieure à celle d'une voiture. Dans les atomes et les molécules, la composante vitesse de l'énergie provient des vibrations (dans les solides) ou des vibrations et du mouvement (dans les liquides et les gaz). Tout atome dont la température est supérieure au zéro absolu vibre, même légèrement (le zéro absolu est de -273,15 °C ou 0 K, selon l'échelle de température Kelvin, utilisée en science). Quant à la masse, même les atomes infinitésimaux possèdent une masse infime.

La combinaison de la masse et de la vitesse implique que tous les atomes et molécules contiennent de l'énergie, même en très faible quantité. Selon le troisième principe de la thermodynamique, le zéro absolu est impossible à atteindre ; nous savons donc que chaque atome et molécule de l'univers a une température d'au moins légèrement supérieure à -273,15 °C !

mesurer la chaleur

La chaleur se mesure généralement en deux unités : les joules et les calories. De même que les miles et les kilomètres mesurent tous deux une distance, mais selon des normes différentes, les joules et les calories mesurent tous deux de l’énergie (une calorie équivaut à un peu plus de quatre joules).

Ce n’est pas un hasard si l’on utilise les calories pour mesurer l’énergie des aliments ; la méthode originelle pour déterminer la quantité de calories dans les aliments consistait à les brûler et à mesurer la chaleur dégagée. L’être humain convertit l’énergie alimentaire, stockée dans les liaisons chimiques des lipides, des protéines et des glucides, en énergie utilisable (principalement de la chaleur) en « brûlant des calories ».[2]

La physique de l'évaporation de la transpiration

La notion de température comme énergie thermique moyenne d'une substance est essentielle pour comprendre comment la transpiration nous rafraîchit. Par temps chaud, l'évaporation de la transpiration est le seul moyen naturel pour l'être humain de dissiper la chaleur métabolique. C'est pourquoi les produits Qore Performance, qui favorisent la circulation de l'air, permettent de travailler plus longtemps, plus intensément et en toute sécurité par forte chaleur.

Pour comprendre cela, prenons l'exemple d'une seule goutte de sueur.

Vous avez peut-être fait un effort physique intense par une chaude journée, au point que votre température corporelle interne atteigne environ 37,8 °C. Les molécules d'H₂O contenues dans vos gouttelettes de sueur ont également une température moyenne de 37,8 °C. Cependant, certaines molécules d'H₂O possèdent une énergie supérieure à la moyenne. Votre corps, en surchauffe, transfère davantage d'énergie thermique dans les gouttelettes de sueur en faisant circuler du sang chaud près de la surface de la peau. Les molécules d'H₂O les plus énergétiques acquièrent rapidement suffisamment d'énergie (c'est-à-dire de vitesse)[3] pour passer à l'état gazeux et s'évaporer.

Comme seules les molécules les plus riches en énergie s'évaporent, la température moyenne de la goutte de sueur diminue légèrement. Ce phénomène est bénéfique à la thermorégulation, car notre corps en surchauffe continue de transférer de l'énergie à la goutte de sueur, ce qui augmente à nouveau sa température.

Le processus est continu. Les molécules d'H₂O les plus énergétiques s'évaporent, emportant avec elles de l'énergie, ce qui abaisse la température moyenne de la gouttelette, tandis que le corps continue de transférer de l'énergie et d'élever la température.

Finalement, votre goutte de sueur s'est complètement évaporée. Si votre température corporelle reste élevée (et que vous êtes bien hydraté), vous continuez à transpirer. Le transfert d'énergie se poursuit : de votre corps, par la circulation sanguine, jusqu'à l'évaporation de la sueur et enfin vers l'environnement. Nous évitons la surchauffe en transpirant lorsque la quantité de chaleur libérée par évaporation est égale ou supérieure à la chaleur produite par le métabolisme.

Ce processus nécessite l'évaporation de la transpiration. Si celle-ci ne peut s'évaporer, les molécules d'H₂O riches en énergie ne sont pas éliminées et aucun transfert d'énergie n'a lieu. Une forte humidité réduit l'évaporation de la transpiration car l'air est déjà presque saturé. Le port de vêtements protecteurs peut également entraver l'évaporation.

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À propos de l'auteur : Erik Patton est titulaire d'un doctorat de l'université Duke, où il a mené des recherches sur les défis posés par la hausse des températures lors de l'entraînement militaire. Vétéran de l'armée américaine, il a servi dans de nombreux climats extrêmes, des déserts du sud-ouest des États-Unis et du Moyen-Orient (48,9 °C) aux conditions arctiques du centre de l'Alaska (-41 °C).

[1] Pour les particules plus petites que les atomes, la physique quantique est nécessaire – cela dépasse le cadre de cet article.
[2] Lorsqu’on parle de « calories » dans l’alimentation, on parle en réalité de kilocalories. Une barre de chocolat de 300 calories contient en fait 300 000 calories.
[3] La vitesse moyenne d'une molécule d'eau à 100 °C est de 2 414 km/h.
[4] Techniquement, la deuxième loi décrit l’entropie, mais en pratique, cela signifie : la chaleur circule du chaud vers le froid.