CHALEUR SPÉCIFIQUE: EN QUOI ELLE CONSISTE, COMMENT ELLE EST CALCULÉE ET DES EXEMPLES - CHIMIE - 2025

La chaleur spécifique est la quantité d'énergie à absorber un gramme d'une substance pour augmenter sa température d' un degré Celsius. C'est une propriété physique intensive, car elle ne dépend pas de la masse car elle n'est exprimée que pour un gramme de substance; cependant, il est lié au nombre de particules et à leur masse molaire, ainsi qu'aux forces intermoléculaires qui les lient.

La quantité d'énergie absorbée par la substance est exprimée en unités de joule (J), et moins fréquemment, en calories (Cal). En général, on suppose que l'énergie est absorbée par la chaleur; cependant, l'énergie peut provenir d'une autre source, comme un travail effectué sur la substance (agitation rigoureuse, par exemple).

Eau bouillante. Source: Pixabay

L'image ci-dessus montre une bouilloire à partir de laquelle les vapeurs d'eau générées par son chauffage sont libérées. Pour chauffer l'eau, celle-ci doit absorber la chaleur de la flamme située sous la bouilloire. Ainsi, au fil du temps et en fonction de l'intensité du feu, l'eau bouillira lorsqu'elle atteindra son point d'ébullition.

La chaleur spécifique établit la quantité d'énergie consommée par l'eau pour chaque degré ºC que sa température augmente. Cette valeur est constante si différents volumes d'eau sont chauffés dans la même bouilloire, car comme dit au début, c'est une propriété intensive.

Ce qui varie, c'est la quantité totale d'énergie absorbée par chaque masse d'eau chauffée, également appelée capacité thermique. Plus la masse d'eau à chauffer est grande (2, 4, 10, 20 litres), plus sa capacité calorifique est grande; mais sa chaleur spécifique reste la même.

Cette propriété dépend de la pression, de la température et du volume; cependant, par souci de simple compréhension, leurs variations correspondantes sont omises.

Qu'est-ce que la chaleur spécifique?

La signification de la chaleur spécifique pour une substance donnée a été définie. Cependant, sa vraie signification s'exprime mieux avec sa formule, qui précise à travers ses unités quelles sont les dégagements qu'elle implique lors de l'analyse des variables dont elle dépend. Sa formule est:

Ce = Q / ΔT m

Où Q est la chaleur absorbée, ΔT le changement de température et m est la masse de la substance; que selon la définition correspond à un gramme. En faisant une analyse de ses unités, nous avons:

Ce = J / ºC · g

Ce qui peut également être exprimé de la manière suivante:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · Kg

Le premier d'entre eux est le plus simple, et c'est avec lequel les exemples seront abordés dans les sections suivantes.

La formule indique explicitement la quantité d'énergie absorbée (J) par un gramme de substance à un degré ºC. Si nous voulions effacer cette quantité d'énergie, nous devrions laisser l'équation J de côté:

J = Ce · ºC · g

Celui exprimé de manière plus appropriée et en fonction des variables serait:

Q = Ce ΔT m

Comment la chaleur spécifique est-elle calculée?

L'eau comme référence

Dans la formule ci-dessus, «m» ne représente pas un gramme de substance, car il se trouve déjà implicitement dans Ce. Cette formule est très utile pour calculer les chaleurs spécifiques de diverses substances par calorimétrie.

Comment? En utilisant la définition des calories, qui est la quantité d'énergie nécessaire pour chauffer un gramme d'eau de 14,5 à 15,5 ° C; cela équivaut à 4 184 J.

La chaleur spécifique de l'eau est anormalement élevée, et cette propriété est utilisée pour mesurer les chaleurs spécifiques d'autres substances connaissant la valeur de 4,184 J.

Qu'est-ce que cela signifie pour une chaleur spécifique d'être élevée? Qu'il offre une résistance considérable pour augmenter sa température, il doit donc absorber plus d'énergie; c'est-à-dire que l'eau doit être chauffée beaucoup plus longtemps que d'autres substances qui, à proximité d'une source de chaleur, se réchauffent presque instantanément.

Pour cette raison, l'eau est utilisée dans les mesures calorimétriques, car elle ne subit pas de changements brusques de température lors de l'absorption de l'énergie libérée par les réactions chimiques; ou, dans ce cas, par contact avec un autre matériau plus chaud.

Équilibre thermique

Comme l'eau a besoin d'absorber beaucoup de chaleur pour augmenter sa température, la chaleur peut provenir d'un métal chaud, par exemple. Compte tenu des masses d'eau et de métal, un échange de chaleur se produira entre eux jusqu'à ce que ce qu'on appelle l'équilibre thermique soit atteint.

Lorsque cela se produit, les températures de l'eau et du métal s'équilibrent. La chaleur dégagée par le métal chaud est égale à celle absorbée par l'eau.

Développement mathématique

Sachant cela, et avec la dernière formule pour Q qui vient d'être décrite, nous avons:

Q _Eau = -Q _Métal

Le signe négatif indique que la chaleur est libérée du corps plus chaud (métal) vers le corps plus frais (eau). Chaque substance a sa propre chaleur spécifique Ce, et sa masse, cette expression doit donc être développée comme suit:

Q _Eau = Ce _Eau · ΔT _Eau · m _Eau = - (Ce _Métal · ΔT _Métal · m _Métal)

L'inconnu est Ce _Metal, car à l'équilibre thermique, la température finale de l'eau et du métal est la même; en outre, les températures initiales de l'eau et du métal sont connues avant la mise en contact, ainsi que leurs masses. Par conséquent, Ce _Metal doit être dégagé:

Ce _métal = (Ce _eau · ΔT _eau · m _eau) / (-ΔT _métal · m _métal)

Sans oublier que Ce _Water est de 4,184 J / ºC · g. Si ΔT _Eau et ΔT _Métal sont développés, nous aurons respectivement (T _f - T _Eau) et (T _f - T _Métal). L'eau se réchauffe, tandis que le métal se refroidit, et c'est pourquoi le signe négatif multiplie ΔT _Métal, laissant (T _Métal - T _f). Sinon, ΔT _Metal aurait une valeur négative car il est T _f plus petit (plus froid) que T _Metal.

L'équation est alors finalement exprimée de cette manière:

Ce _Métal = Ce _Eau · (T _f - T _Eau) · m _Eau / (T _Métal - T _f) · m _Métal

Et avec lui, les chaleurs spécifiques sont calculées.

Exemple de calcul

Il y a une sphère d'un métal étrange qui pèse 130g et a une température de 90 ° C. Celui-ci est immergé dans un récipient de 100 g d'eau à 25 ° C, à l'intérieur d'un calorimètre. En atteignant l'équilibre thermique, la température du récipient devient 40 ° C. Calculez le Ce du métal.

La température finale, T _f, est de 40 ° C. Connaissant les autres données, Ce peut alors être déterminé directement:

Ce _métal = (4184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100g) / (90 - 40) ºC · 130g

Ce _métal = 0,965 J / ºC · g

Notez que la chaleur spécifique de l'eau est environ quatre fois celle du métal (4,184 / 0,965).

Lorsque Ce est très petit, plus sa tendance à s'échauffer est grande; qui est liée à sa conductivité thermique et à sa diffusion. Un métal avec un Ce plus élevé aura tendance à libérer ou à perdre plus de chaleur, lorsqu'il entre en contact avec un autre matériau, par rapport à un autre métal avec un Ce plus faible.

Exemples

Les chaleurs spécifiques pour différentes substances sont indiquées ci-dessous.

Eau

La chaleur spécifique de l'eau, comme indiqué, est de 4,184 J / ° C · g.

Grâce à cette valeur, il peut obtenir beaucoup de soleil dans l'océan et l'eau s'évaporera à peine à un degré appréciable. Il en résulte une différence thermique qui n'affecte pas la vie marine. Par exemple, lorsque vous allez à la plage pour nager, même s'il fait très ensoleillé dehors, l'eau ressent une température plus basse et plus fraîche.

L'eau chaude a également besoin de libérer beaucoup d'énergie pour se refroidir. Dans le processus, il chauffe les masses d'air en circulation, augmentant quelque peu les températures (tempérées) dans les régions côtières pendant les hivers.

Un autre exemple intéressant est que si nous n'étions pas constitués d'eau, une journée au soleil pourrait être mortelle, car la température de notre corps augmenterait rapidement.

Cette valeur unique de Ce est due aux liaisons hydrogène intermoléculaires. Ceux-ci absorbent la chaleur pour se décomposer, donc ils stockent de l'énergie. Tant qu'elles ne sont pas cassées, les molécules d'eau ne pourront pas vibrer augmentant l'énergie cinétique moyenne, ce qui se traduit par une augmentation de la température.

Glace

La chaleur spécifique de la glace est de 2 090 J / ºC · g. Comme celle de l'eau, elle a une valeur inhabituellement élevée. Cela signifie qu'un iceberg, par exemple, aurait besoin d'absorber une énorme quantité de chaleur pour augmenter sa température. Cependant, certains icebergs aujourd'hui ont même absorbé la chaleur nécessaire pour fondre (chaleur latente de fusion).

Aluminium

La chaleur spécifique de l'aluminium est de 0,900 J / ºC · g. Il est légèrement inférieur à celui du métal dans la sphère (0,965 J / ºC · g). Ici, la chaleur est absorbée pour faire vibrer les atomes métalliques de l'aluminium dans leurs structures cristallines, et non des molécules individuelles maintenues ensemble par des forces intermoléculaires.

Fer

La chaleur spécifique du fer est de 0,444 J / ºC · g. Étant moins que l'aluminium, cela signifie qu'il offre moins de résistance lorsqu'il est chauffé; c'est-à-dire qu'avant un feu, un morceau de fer deviendra rouge bien plus tôt qu'un morceau d'aluminium.

L'aluminium étant plus résistant au chauffage, garde les aliments au chaud plus longtemps lorsque le fameux papier d'aluminium est utilisé pour emballer des collations.

Air

La chaleur spécifique de l'air est d'environ 1,003 J / ºC · g. Cette valeur est très soumise aux pressions et aux températures car elle est constituée d'un mélange gazeux. Ici, la chaleur est absorbée pour faire vibrer les molécules d'azote, d'oxygène, de dioxyde de carbone, d'argon, etc.

argent

Enfin, la chaleur spécifique de l'argent est de 0,234 J / ºC · g. De toutes les substances mentionnées, elle a la plus faible valeur Ce. Cela signifie que face au fer et à l'aluminium, une pièce d'argent chaufferait beaucoup plus en même temps que les deux autres métaux. En fait, il s'harmonise avec sa conductivité thermique élevée.

Références

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2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Chimie. (Huitième édition). Apprentissage Cengage.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5 novembre 2018). Capacité thermique spécifique en chimie. Récupéré de: thinkco.com
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6. Wikipédia. (2019). Chaleur spécifique. Récupéré de: es.wikipedia.org