CAPACITÉ THERMIQUE: FORMULES, UNITÉS ET MESURES - PHYSIQUE - 2025

La capacité thermique d'un corps ou d'un système est le quotient entre l'énergie thermique transmise à ce corps et le changement de température qu'il subit au cours de ce processus. Une autre définition plus précise est qu'elle fait référence à la quantité de chaleur qu'il est nécessaire de transmettre à un corps ou à un système pour que sa température augmente d'un degré kelvin.

Il arrive continuellement que les corps les plus chauds cèdent de la chaleur aux corps les plus froids dans un processus qui dure tant qu'il y a une différence de température entre les deux corps en contact. Ensuite, la chaleur est l'énergie qui est transmise d'un système à un autre par le simple fait qu'il existe une différence de température entre les deux.

Par convention, la chaleur positive (Q) est définie comme celle qui est absorbée par un système, et comme chaleur négative celle qui est transférée par un système.

De ce qui précède, il s'ensuit que tous les objets n'absorbent pas et ne retiennent pas la chaleur avec la même facilité; ainsi certains matériaux chauffent plus facilement que d'autres.

Il faut tenir compte du fait que, en fin de compte, la capacité thermique d'un corps dépend de sa nature et de sa composition.

Formules, unités et mesures

La capacité thermique peut être déterminée à partir de l'expression suivante:

C = dQ / dT

Si le changement de température est suffisamment petit, l'expression précédente peut être simplifiée et remplacée par la suivante:

C = Q / ΔT

Ainsi, l'unité de mesure de la capacité thermique dans le système international est le Joule par kelvin (J / K).

La capacité thermique peut être mesurée à pression constante C _p ou à volume constant C _v.

Chaleur spécifique

Souvent, la capacité thermique d'un système dépend de sa quantité de substance ou de sa masse. Dans ce cas, lorsqu'un système est constitué d'une seule substance aux caractéristiques homogènes, une chaleur spécifique est nécessaire, également appelée capacité thermique spécifique (c).

Ainsi, la chaleur massique spécifique est la quantité de chaleur qui doit être fournie à l'unité de masse d'une substance pour augmenter sa température d'un degré kelvin, et peut être déterminée à partir de l'expression suivante:

c = Q / m ΔT

Dans cette équation, m est la masse de la substance. Par conséquent, l'unité de mesure de la chaleur spécifique dans ce cas est le Joule par kilogramme par kelvin (J / kg K), ou encore le Joule par gramme par kelvin (J / g K).

De même, la chaleur spécifique molaire est la quantité de chaleur qui doit être fournie à une mole d'une substance pour augmenter sa température d'un degré kelvin. Et il peut être déterminé à partir de l'expression suivante:

Dans cette expression, n est le nombre de moles de la substance. Cela implique que l'unité de mesure de la chaleur spécifique dans ce cas est le Joule par mole par kelvin (J / mol K).

Chaleur spécifique de l'eau

Les chaleurs spécifiques de nombreuses substances sont calculées et facilement accessibles dans des tableaux. La valeur de la chaleur spécifique de l'eau à l'état liquide est de 1000 calories / kg K = 4186 J / kg K. Au contraire, la chaleur spécifique de l'eau à l'état gazeux est de 2080 J / kg K et à l'état solide de 2050 J / kg K.

Transfert de chaleur

De cette manière et étant donné que les valeurs spécifiques de la grande majorité des substances ont déjà été calculées, il est possible de déterminer la transmission thermique entre deux corps ou systèmes avec les expressions suivantes:

Q = cm ΔT

Ou si la chaleur spécifique molaire est utilisée:

Q = cn ΔT

Il faut tenir compte du fait que ces expressions permettent de déterminer les flux thermiques à condition qu'il n'y ait pas de changement d'état.

Dans les processus de changement d'état, on parle de chaleur latente (L), qui est définie comme l'énergie requise par une quantité de substance pour changer de phase ou d'état, soit du solide au liquide (chaleur de fusion, L _f) ou de liquide à gazeux (chaleur de vaporisation, L _v).

Il faut tenir compte du fait qu'une telle énergie sous forme de chaleur est entièrement consommée lors du changement de phase et n'inverse pas une variation de température. Dans de tels cas, les expressions pour calculer le flux de chaleur dans un processus de vaporisation sont les suivantes:

Q = L _v m

Si la chaleur spécifique molaire est utilisée: Q = L _v n

Dans un processus de fusion: Q = L _f m

Si la chaleur spécifique molaire est utilisée: Q = L _f n

En général, comme pour la chaleur spécifique, les chaleurs latentes de la plupart des substances sont déjà calculées et sont facilement accessibles dans les tableaux. Ainsi, par exemple, dans le cas de l'eau, vous devez:

L _f = 334 kJ / kg (79,7 cal / g) à 0 ° C; L _v = 2257 kJ / kg (539,4 cal / g) à 100 ° C

Exemple

Dans le cas de l'eau, si une masse de 1 kg d'eau congelée (glace) est chauffée d'une température de -25 ºC à une température de 125 ºC (vapeur d'eau), la chaleur consommée dans le processus serait calculée comme suit:

Étape 1

Glace de -25 ºC à 0 ºC.

Q = cm ΔT = 2050 1 25 = 51250 J

Étape 2

Changement d'état de la glace à l'eau liquide.

Q = L _f m = 334000 1 = 334000 J

Étape 3

Eau liquide de 0 ° C à 100 ° C.

Q = cm ΔT = 4186 1 100 = 418600 J

Étape 4

Changement d'état de l'eau liquide à la vapeur d'eau.

Q = L _v m = 2257000 1 = 2257000 J

Étape 5

Vapeur d'eau de 100 ° C à 125 ° C.

Q = cm ΔT = 2080 1 25 = 52000 J

Ainsi, le flux thermique total dans le processus est la somme de celui produit à chacune des cinq étapes et donne 31112850 J.

Références

1. Resnik, Halliday et Krane (2002). Physique Volume 1. Cecsa.
2. Laider, Keith, J. (1993). Oxford University Press, éd. Le monde de la chimie physique.Capacité thermique. (nd). Dans Wikipedia. Récupéré le 20 mars 2018 sur en.wikipedia.org.
3. Chaleur latente. (nd). Dans Wikipedia. Récupéré le 20 mars 2018 sur en.wikipedia.org.
4. Clark, John, OE (2004). Le dictionnaire essentiel de la science. Livres Barnes & Noble.
5. Atkins, P., de Paula, J. (1978/2010). Physical Chemistry, (première édition 1978), neuvième édition 2010, Oxford University Press, Oxford UK.