Définition de la chaleur spécifique

Evelyn Maitee Marin
Ingénieur Industriel, MSc en Physique, et EdD

La chaleur spécifique (c) est définie comme la quantité d'énergie nécessaire en fonction de l'augmentation de température d'une unité de masse de substance dans une unité de température. Elle est également connue sous le nom de capacité thermique ou capacité thermique spécifique.

C'est une grandeur physique qui dépend de l'état de la matière, puisque la chaleur spécifique d'une substance à l'état liquide n'est pas la même que celle de la même substance à l'état gazeux. De même, les conditions de pression et de température dans lesquelles se trouve le matériau influencent sa chaleur spécifique. Fondamentalement, c'est une propriété intensive de la matière qui fait référence à la capacité thermique d'un substance, puisqu'elle fournit une valeur de la sensibilité thermique d'un matériau à l'ajout de énergie.

Tu savais que…? Le terme chaleur spécifique est apparu à l'époque où les branches de la physique mécanique et de la thermodynamique évoluaient presque indépendamment; cependant, à l'heure actuelle, un terme plus approprié pour la chaleur spécifique serait le transfert d'énergie spécifique.

Si du café chaud à la même température est versé dans deux verres: l'un en polystyrène (anime) et l'autre en aluminium et que les deux verres sont tenus dans les mains, on percevra que le verre de L'aluminium est plus chaud que le polystyrène, ce qui implique que plus de chaleur doit être ajoutée à la tasse en polystyrène pour que sa température augmente comme celle de la tasse en polystyrène. aluminium.

formule de chaleur spécifique

Si Q est la quantité d'énergie échangée entre une substance de masse m et son environnement, provoquant une variation de température ΔT (Tf – Ti), on a :

\(c = \frac{Q}{{m.ΔT}}\)

où c est la chaleur spécifique.

De cette expression, on peut déduire que les unités de chaleur spécifique seront :

• Dans le Système International, la chaleur spécifique c = (J/kg. K)
• Dans le système anglais, c = (BTU/lb-m.ºF)
• Dans d'autres systèmes, il est également courant d'exprimer c = (Cal/g.ºC)

D'autre part, on peut également observer que plus la chaleur spécifique d'une substance est élevée, plus sa variation de température est faible pour une quantité d'énergie fournie donnée. Pour cette raison, si vous voulez un matériau qui chauffe facilement, vous devez en choisir un qui a une faible chaleur spécifique.

Remarque: il est important de préciser que la chaleur spécifique fait référence à la quantité d'énergie à augmenter la température, la chaleur étant une forme particulière de transfert d'énergie, mais pas la seul. Par exemple, vous pouvez augmenter la température d'une substance en effectuant un travail mécanique dessus.

Exemples de chaleur spécifique dans les matériaux

Dans des conditions de laboratoire contrôlées, il a été possible de déterminer la chaleur spécifique d'une grande variété de substances, ce qui permet des comparaisons et une sélection de matériaux en fonction de l'application particulier. Le tableau suivant est un exemple des chaleurs spécifiques pour certains matériaux (à pression atmosphérique et 25 ºC) :
Substance c (J/kg. K) c (Cal/g. °C)
Eau (15ºC) 4186 1
Alcool éthylique 2438 0,582
Sable 780 0,186
Cuivre 385 0,091
Glace (-10 ºC) 2220 0,530
Oxygène 918 0,219
Peroxyde d'hydrogène (H2O2) 2619 0,625
Verre 792 0,189
Aluminium 897 0,214
Bois 170 0,406
Huile d'olive 1675 0,400
Brique réfractaire 879 0,210

Remarque: comme on peut le voir, l'eau est l'une des substances à la chaleur spécifique la plus élevée, ce qui réaffirme l'importance de ce liquide pour réguler la température de notre planète.

Exemple 1: Quelle quantité d'énergie doit être transférée à une masse d'eau de 2 kg pour augmenter sa température de 15 ºC à 90 ºC ?

Solution: D'après le tableau précédent, on peut déduire que la chaleur spécifique de l'eau pure est de 1 Cal/g.ºC, de sorte qu'à partir de cette valeur et des données fournies, l'énergie Q peut être effacée :

La quantité de chaleur est de :

Q = c ∙ m ∙ ∆T

Cela implique que 150 000 calories sont nécessaires pour élever la température de 2 kg d'eau (2000 g) de 15 ºC à 90 ºC.

Exemple 2: Quelle sera la température finale d'une barre d'aluminium de 1 kg qui est chauffée dans un bec Bunsen à partir d'une température de 25 ºC en appliquant 4000 joules d'énergie ?

Solution: A partir du tableau des chaleurs spécifiques, on peut prendre la valeur de cette variable pour l'aluminium, où c = 897 J/kg. K

Dans le cas de la température, 25 ºC est transformé en une échelle Kelvin absolue en ajoutant 273,15 unités, de sorte que la température initiale de la barre est de 298,15 K.

En dégageant la température finale de l'expression de la chaleur spécifique on a :

\({T_f} = \frac{Q}{{c \cdot m}} + {T_i} = \frac{{4000\;J}}{{\left( {897\;J/kg \cdot K} \right)\left( {1\;kg} \right)}} + 298,15\;K = 302,61\;K\)

La température finale de la barre d'aluminium sera de 302,61 K ou 29,46 ºC.

Remarque: la connaissance et l'interprétation de la chaleur spécifique des substances sont très utiles lorsque vous souhaitez sélectionner le matériau le plus approprié pour une certaine utilisation. Par exemple, en mécanique automobile, bon nombre des composants qui composent les mécanismes du véhicule, sera soumis à des températures élevées, il est donc souhaitable que lorsqu'il est chauffé, le matériau ne se fatigue pas avec faciliter.