Introduction à la thermodynamique/Chaleur
Capacités calorifiques ou Capacités thermiques
modifierQuestion : D'après vous, tous les corps ont-ils besoin de la même quantité d'énergie pour élever de 1 °C 25 kg de matière ?
Non, car la quantité de chaleur à apporter change avec la Capacité calorifique du corps (notée C)
On peut définir plusieurs capacités calorifiques:
- La capacité calorifique ( notée C majuscule ) de l’objet étudié (par exemple un cube de laiton)
- La capacité calorifique spécifique qui est calculée pour une mole de matière ( notée c minuscule ) et qui aura les unités J.mol-1.K-1
- La chaleur massique qui est calculée pour un kg de matière ( notée c minuscule ) et qui aura les unités J.kg-1.K-1
Chaleur massique
modifierLa chaleur massique est la quantité de chaleur ou d'énergie qu’il faut fournir à un corps pour élever une masse de 1 kg de 1 °C.
Unité : J/(kg.°C) i.e. (joule / (kilogramme . degrés Celsius) ) ou bien J.kg-1.K-1 i.e. (joule / (kilogramme . Kelvin) ).
On étudie souvent le chauffage (ou le refroidissement) d'un corps à pression P constante et la chaleur massique est alors notée cp.
Parfois, on fait de la calorimétrie à volume constant et on considère alors la chaleur massique cv.
À noter que pour un même corps, la valeur de la chaleur massique change avec la température :
- Voici la courbe représentative de la chaleur massique de l'eau : cp = f(T) :
Remarque : pour l'eau, entre 0 °C et 100 °C, on considèrera qu’il faut 4,18 kJ/(kg.°C) ou 4,18 kJ.kg-1.K-1 (quasiment constant).
Au-delà, il faudra faire la moyenne entre la valeur du cp à la température initiale et la valeur du cp à la température finale (le cp moyen est notée ).
Exercices Résolus
modifier1. Quel est le lorsque l’on veut élever la température de l'eau de 180 °C à 240 °C ?
- On cherche grâce à l'abaque cp = f(T), la valeur du cp à 180 °C et la valeur du cp à 240 °C (il est conseillé de travailler avec les kJ (kilojoules) pour éviter d'encombrer les formules. On veillera donc à utiliser le kJ pour l'unité du résultat) :
2. Quel est le lorsque l’on veut élever la température de l'eau de 30 °C à 180 °C ?
- Dans ce cas, il faut décomposer le calcul en deux parties :
- le de 30 °C à 100 °C, qui est de 4,18 kJ.kg-1.K-1
- le de 100 °C à 180 °C, qui est de 4,39 kJ.kg-1.K-1 :
Quantité de chaleur
modifierLa quantité de chaleur (notée : Q) est la chaleur nécessaire pour porter la température d'un corps de la température T1 à T2 (en K ou en °C). C'est aussi l'énergie nécessaire pour effectuer un changement d'état (exemple : passage de l'état liquide à l'état gazeux). Note: il peut y avoir un changement d'état sans variation de température.
L'unité est le joule.
Remarque : la chaleur étant une forme d'énergie, on parlera aussi d'énergie (E).
Question : d’après vous, si l’on veut calculer la quantité d'énergie fournie pour élever la température d'un corps, de quels paramètres a-t-on besoin ?
Si vous avez suivi bien suivi le cours, et surtout le premier paragraphe sur la chaleur massique, vous devez facilement retrouver ces paramètres :
- La masse du corps :
- Prenez par exemple une casserole d'eau et une marmite d'eau. Chauffez, et vous verrez que l'eau de la casserole sera chaude bien avant la marmite.
- La température initiale et la température finale :
- Je ne vous apprends pas qu’il ne faut pas la même quantité d'énergie pour élever de l'eau de 25 °C à 30 °C que de 0 °C à 300 °C.
- La chaleur massique de ce corps :
- Vu dans le paragraphe précédent
Exercices résolus
modifier1. Quelle quantité de chaleur faut-il pour élever la température de 5 kg d'eau de 20 °C à 100 °C ?
Les 3 paramètres qui vont servir dans l'équation sont :
- La masse : 5 kg
- Le delta de température : ΔT = 100 °C - 20 °C = 80 °C ce qui correspond aussi en Kelvin à une variation ΔT de 80 K
- La chaleur massique : 4,18 kJ.kg-1.K-1 (Voir remarque du paragraphe sur la chaleur massique)
On applique la formule :
Remarque : attention aux unités ( comme la chaleur massique est exprimée en utilisant des kJ, alors le résultat sera aussi en kJ ).