Par Lee Johnson — Mis à jour le 30 août 2022
Les calculs de transfert de chaleur sont un élément essentiel en physique et en ingénierie. Savoir combien de temps il faut pour augmenter la température d’un objet d’une quantité donnée ne nécessite que quelques données clés :la capacité thermique spécifique du matériau, sa masse, le changement de température souhaité et la puissance de la source de chaleur. Ci-dessous, nous passons en revue les étapes en utilisant de l'eau et du plomb comme exemples illustratifs.
Calculez d’abord l’énergie thermique nécessaire :Q =mcΔT , où m est la masse, c est la capacité thermique spécifique, et ΔT est le changement de température. Déterminez ensuite le temps de chauffe :t =Q ÷ P , avec P la puissance en watts.
Le changement de température est simplement la différence entre les températures finale et initiale :
ΔT =T_final – T_initial
Par exemple, chauffer une substance de 10°C à 50°C donne ΔT=40°C. Étant donné qu'un changement de 1°C équivaut à un changement de 1K, vous pouvez travailler dans l'une ou l'autre unité.
Chaque matériau a une capacité thermique spécifique caractéristique qui vous indique la quantité d'énergie nécessaire pour soulever 1 kg de ce matériau de 1 K. Les valeurs courantes (Jkg⁻¹K⁻¹) incluent :
Pour ce tutoriel, nous utiliserons de l'eau (c=4 186 Jkg⁻¹K⁻¹) et du plomb (c=128Jkg⁻¹K⁻¹).
Avec m en kilogrammes, c en Jkg⁻¹K⁻¹, et ΔT en K, l'énergie thermique est :
Q =mcΔT
Exemple d'eau :1 kg × 4 186 Jkg⁻¹K⁻¹ × 40K =167 440 J =167,44 kJ.
Exemple principal :10 kg × 128Jkg⁻¹K⁻¹ × 40K =51 200 J =51,2 kJ.
Notez que, comme la chaleur spécifique du plomb est plus faible, moins d'énergie est nécessaire pour augmenter sa température du même montant.
La puissance (P) est le taux de fourniture d'énergie (1W=1Js⁻¹). Le temps de chauffage découle de :
t =Q ÷ P
Utiliser une bouilloire de 2 kW (2 000 W) pour l'eau :
t =167 440 J ÷ 2 000 Js⁻¹ ≈ 83,7 s.
Pour le bloc de plomb de 10 kg à la même puissance :
t =51 200 J ÷ 2 000 Js⁻¹ ≈ 25,6 s.
Le plomb chauffe plus rapidement en raison de sa capacité thermique spécifique plus faible.
Ces formules simples vous permettent de prédire les temps de chauffage pour n'importe quel matériau :il vous suffit de saisir les valeurs appropriées.