Par Kevin Beck – Mis à jour le 30 août 2022
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La chaleur est une forme d'énergie mesurée en joules (J), l'unité SI équivalente à un newton-mètre. Dans le quotidien, nous utilisons souvent des calories (1 cal=4,18 J) ou des BTU, mais pour les calculs scientifiques, le joule est la norme.
La chaleur circule naturellement des régions les plus chaudes vers les régions plus froides. Bien que nous ne puissions pas voir la chaleur elle-même, nous déduisons sa présence des changements de température. La température représente l'énergie cinétique moyenne des molécules d'une substance; l'ajout de chaleur augmente cette énergie cinétique et augmente ainsi la température.
La calorimétrie est la méthode expérimentale permettant de déterminer la quantité de chaleur nécessaire pour modifier la température d’une substance. En plaçant une masse connue d'un matériau dans un calorimètre scellé, en ajoutant une quantité précise de chaleur et en mesurant l'augmentation de température qui en résulte, nous pouvons calculer sa capacité thermique spécifique.
La calorie, utilisée sur les étiquettes des aliments sous forme de kilocalorie (kcal), est définie comme la chaleur nécessaire pour faire monter 1 g d'eau de 1 °C (ou 1 K). Un soda de 12 onces, par exemple, contient environ 150 000 calories (150 kcal).
La relation fondamentale entre la chaleur, la masse, le changement de température et la chaleur spécifique est exprimée comme suit :
Q =m·C·ΔT
Ici, Q est la chaleur ajoutée (en joules), m est la masse (grammes), ΔT est le changement de température (Kelvin ou °C), et C est la capacité thermique spécifique (J/g·K).
La capacité thermique fait référence à la chaleur totale nécessaire pour élever la température d’un objet de 1 K, exprimée en J/K. Cela dépend de la masse de l'objet. La capacité thermique spécifique, mesurée en J/g·K, est une propriété intrinsèque qui permet de comparer différents matériaux quelle que soit leur masse.
Par exemple, la capacité thermique spécifique élevée de l'eau (~4,18 J/g·K) signifie qu'elle peut absorber de grandes quantités de chaleur avec seulement une légère augmentation de la température :une caractéristique essentielle pour les organismes vivants et la régulation du climat.
Pour déterminer expérimentalement la capacité thermique spécifique, divisez la chaleur ajoutée par le produit de la masse et du changement de température :
C = Q / (m·ΔT)
La capacité thermique spécifique du cuivre est de 0,386 J/g·K. Pour faire passer 1 kg (1 000 g) de cuivre de 0 °C à 100 °C :
Q = m·C·ΔT = (1,000 g)·(0.386 J/g·K)·(100 K) = 38,600 J = 38.6 kJ.
Ainsi, la capacité thermique de ce bloc de cuivre de 1 kg est de 386 J/K (puisqu'il faut 38 600 J pour une montée de 100 K).
Comprendre la capacité thermique et la chaleur spécifique est essentiel pour concevoir des systèmes thermiques, sélectionner les matériaux des dissipateurs thermiques et prédire les changements de température dans les domaines de l'ingénierie, de la chimie et des sciences de l'environnement.