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Mais comment l'eau peut-elle être si froide et le sable si chaud ? C'est à cause de leur chaleur spécifique. Les substances comme le sable ont une faible chaleur spécifique, elles se réchauffent donc rapidement. En revanche, les substances comme l'eau liquide ont une chaleur spécifique élevée et sont donc beaucoup plus difficiles à chauffer.
Dans cet article, nous allons tout apprendre sur la chaleur spécifique : ce que c'est, ce que cela signifie et comment la calculer.
- Cet article traite de la chaleur spécifique.
- Tout d'abord, nous définirons la capacité thermique et la chaleur spécifique.
- Ensuite, nous parlerons des unités couramment utilisées pour la chaleur spécifique.
- Ensuite, nous parlerons de la chaleur spécifique de l'eau et de son importance pour la vie.
- Ensuite, nous examinerons un tableau de quelques chaleurs spécifiques courantes.
- Enfin, nous apprendrons la formule de la chaleur spécifique et travaillerons sur quelques exemples.
Définition de la chaleur spécifique
Nous commencerons par examiner la définition de la chaleur spécifique.
Lacapacité thermique est la quantité d'énergie nécessaire pour augmenter la température d'une substance de 1 °C
Lachaleur spécifique ou capacité thermique spécifique (Cp) est la capacité thermique divisée par la masse de l'échantillon.
Une autre façon de considérer la chaleur spécifique est l'énergie qu'il faut pour augmenter la température de 1 g d'une substance de 1 °C. Fondamentalement, la chaleur spécifique nous indique avec quelle facilité la température d'une substance peut être augmentée. Plus la chaleur spécifique est importante, plus il faut d'énergie pour la chauffer.
Unité de chaleur spécifique
La chaleur spécifique peut avoir plusieurs unités, l'une des plus courantes, que nous utiliserons, est J/(g °C). Lorsque tu te réfères à des tableaux de chaleur spécifique, fais attention aux unités !
Il existe d'autres unités possibles, telles que :
J/(kg- K)
cal/(g °C)
J/(kg °C)
Lorsque nous utilisons des unités telles que J/(kg-K), cela fait suite à un changement de définition. Dans ce cas, la chaleur spécifique fait référence à l'énergie nécessaire pour élever 1 kg d'une substance de 1 K (Kelvin).
Chaleur spécifique de l'eau
Lachaleur spécifique de l'eau est relativement élevée, avec 4,184 J/(g °C). Cela signifie qu'il faut environ 4,2 joules d'énergie pour augmenter la température d'un seul gramme d'eau de 1 °C.
La chaleur spécifique élevée de l'eau est l'une des raisons pour lesquelles elle est si essentielle à la vie. Comme sa chaleur spécifique est élevée, elle est beaucoup plus résistante aux changements de température. Non seulement elle ne se réchauffe pas rapidement, mais elle ne libère pas non plus la chaleur rapidement (c'est-à-dire qu'elle ne se refroidit pas).
Par exemple, notre corps veut rester à environ 37 °C. Si la température de l'eau pouvait changer facilement, nous serions constamment en surchauffe ou en sous-chauffe.
Autre exemple, de nombreux animaux dépendent de l'eau douce. Si l'eau devient trop chaude, elle risque de s'évaporer et de nombreux poissons se retrouveraient sans abri ! Par ailleurs, la chaleur spécifique de l'eau salée est légèrement inférieure, avec ~3,85 J/(g ºC), ce qui reste relativement élevé. Si l'eau salée avait aussi des températures qui fluctuent facilement, ce serait dévastateur pour la vie marine.
Tableau des chaleurs spécifiques
Bien que nous déterminions parfois la chaleur spécifique de manière expérimentale, nous pouvons également nous référer à des tableaux pour connaître la chaleur spécifique d'une substance donnée. Tu trouveras ci-dessous un tableau des chaleurs spécifiques les plus courantes :
| Fig.1-Tableau des chaleurs spécifiques | |||
|---|---|---|---|
| Nom de la substance | Chaleur spécifique (en J/ g °C) | Nom de la substance | Chaleur spécifique (en J/ g °C) |
| Eau (s) | 2.06 | Aluminium (s) | 0.897 |
| Eau (g) | 1.87 | Dioxyde de carbone (g) | 0.839 |
| Éthanol (l) | 2.44 | Verre (s) | 0.84 |
| Cuivre (s) | 0.385 | Magnésium (s) | 1.02 |
| Fer (s) | 0.449 | Etain (s) | 0.227 |
| Plomb (s) | 0.129 | Zinc (s) | 0.387 |
La chaleur spécifique n'est pas seulement basée sur l'identité, mais aussi sur l'état de la matière. Comme tu peux le voir, la chaleur spécifique de l'eau est différente selon qu'il s'agit d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz. Lorsque tu consultes des tableaux (ou que tu regardes des exemples de problèmes), assure-toi de faire attention à l'état de la matière.
Formule de la chaleur spécifique
Voyons maintenant la formule de la chaleur spécifique. La formule de la chaleur spécifique est la suivante:
$$q=mC_p \Delta T$$$
Où ,
q est la chaleur absorbée ou libérée par le système
m est la masse de la substance
Cp est la chaleur spécifique de la substance
ΔT est le changement de température (\(\Delta T=T_{final}-T_{initial}\)).
Cette formule s'applique aux systèmes qui gagnent ou perdent de la chaleur.
Exemples de capacité thermique spécifique
Maintenant que nous avons notre formule, mettons-la en pratique à l'aide de quelques exemples !
Un échantillon de 56 g de cuivre absorbe 112 J de chaleur, ce qui augmente sa température de 5,2 °C. Quelle est la chaleur spécifique du cuivre ?
Tout ce que nous avons à faire ici, c'est de résoudre la chaleur spécifique (Cp) à l'aide de notre formule :
$$q=mC_p \Delta T$$$.
$$C_p=\frac{q}{m*\Delta T}$$$$$$C_p=\frac{q}{m*\Delta T}$$$$$$$$$.
$$C_p=\frac{112\,J}{56\,g*5,2 ^\circ C}$$$$$
$$C_p=0.385\frac{J}{g ^\circ C}$$$
Nous pouvons vérifier notre travail en consultant le tableau des chaleurs spécifiques (Fig.1).
Comme je l'ai mentionné plus haut, nous pouvons également utiliser cette formule lorsque les systèmes dégagent de la chaleur (c'est-à-dire lorsqu'ils se refroidissent).
Un échantillon de glace de 112 g se refroidit de 33°C à 29°C. Ce processus libère 922 J de chaleur. Ce processus libère 922 J de chaleur. Quelle est la chaleur spécifique de la glace ?
Puisque la glace libère de la chaleur, notre valeur q sera négative, puisqu'il s'agit d'une perte d'énergie/de chaleur pour le système.
$$q=mC_p \Delta T$$
$$C_p=\frac{q}{m*\Delta T}$$$$$$C_p=\frac{q}{m*\Delta T}$$$$$$$$$.
$$C_p=\frac{-922\,J}{112\,g*(29 ^\circ C-33 ^\circ C)}$$$$$
$$C_p=2.06\frac{J}{g^\circ C}$$
Comme précédemment, nous pouvons vérifier notre réponse à l'aide de la Fig.1.
Nous pouvons également utiliser la chaleur spécifique pour identifier les substances.
Un échantillon de 212 g d'un métal argenté absorbe 377 J de chaleur, ce qui entraîne une augmentation de la température de 4,6 °C. D'après le tableau suivant, quelle est l'identité du métal ?
| Fig.2- | Identités possibles des métaux et leurs chaleurs spécifiques |
|---|---|
| Nom du métal | Chaleur spécifique (J/g°C) |
| Fer (s) | 0.449 |
| Aluminium (s) | 0.897 |
| Etain (s) | 0.227 |
| Zinc (s) | 0.387 |
Pour trouver l'identité du métal, nous devons résoudre la chaleur spécifique et la comparer au tableau.
$$q=mC_p \Delta T$$
$$C_p=\frac{q}{m*\Delta T}$$$$$$C_p=\frac{q}{m*\Delta T}$$$$$$$$$.
$$C_p=\frac{377\,J}{212\,g*4.6 ^\circ C}$$
$$C_p=0.387\frac{J}{g^\circ C}$$
D'après le tableau, le métal de l'échantillon est le zinc.
Calorimétrie
Tu te demandes probablement comment nous trouvons ces chaleurs spécifiques, l'une des méthodes est la calorimétrie.
Lacalorimétrie consiste à mesurer l'échange de chaleur entre un système (tel qu'une réaction) et un objet calibré appelé calorimètre.
L'une des méthodes courantes de calorimétrie est la calorimétrie à la tasse à café. Dans ce type de calorimétrie, une tasse à café en polystyrène est remplie d'une quantité donnée d'eau à une température donnée. La substance dont on veut mesurer la chaleur spécifique est ensuite placée dans cette eau avec un thermomètre.
Le thermomètre mesure le changement de chaleur de l'eau, ce qui permet de calculer la chaleur spécifique de la substance.
Voici à quoi ressemble l'un de ces calorimètres :
Fig.1 - Un calorimètre à tasse à café
Le fil est un agitateur utilisé pour maintenir la température uniforme.
Alors, comment cela fonctionne-t-il ? La calorimétrie repose sur l'hypothèse suivante : la chaleur perdue par une espèce est gagnée par l'autre. En d'autres termes, il n'y a pas de perte nette de chaleur :
$$-Q_{calorimètre}=Q_{substance}$$$.
OU
$$-mC_{eau}\Delta T=mC_{substance}\Delta T$$$
Cette méthode permet de calculer l'échange de chaleur (q) ainsi que la chaleur spécifique de la substance choisie. Comme indiqué dans la définition, cette méthode peut également être utilisée pour déterminer la quantité de chaleur qu'une réaction libère ou absorbe.
Il existe un autre type de calorimètre appelé calorimètre à bombe. Ces calorimètres sont créés pour résister à des réactions à haute pression, d'où leur nom de "bombe".
Fig.2 - Un calorimètre à bombe
Le montage d'un calorimètre à bombe est en grande partie le même, sauf que le matériel est beaucoup plus solide et que l'échantillon est maintenu à l'intérieur d'un récipient immergé dans l'eau.
Chaleur spécifique - Principaux enseignements
- Lacapacité thermique est la quantité d'énergie nécessaire pour augmenter la température d'une substance de 1 ºC.
- Lachaleur spécifique ou capacité thermique spécifique (Cp) est la capacité thermique divisée par la masse de l'échantillon.
- Il existe plusieurs unités possibles pour la chaleur spécifique, telles que :
- J/g°C
- J/kg*K
- cal/g ºC
- J/kg ºC
- La formule de la chaleur spécifique est la suivante:
$$q=mC_p \Delta T$$$
Où q est la chaleur absorbée ou libérée par le système, m est la masse de la substance, Cp est la chaleur spécifique de la substance et ΔT est le changement de température (\(\Delta T=T_{final}-T_{initial}\)).
Lacalorimétrie consiste à mesurer l'échange de chaleur entre un système (tel qu'une réaction) et un objet calibré appelé calorimètre.
La calorimétrie repose sur l'hypothèse suivante : $$Q_{calorimètre}=-Q_{substance}$$.
Références
- Fig.1-Calorimètre à tasse de café (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/32/Coffee_cup_calorimeter_pic.jpg/640px-Coffee_cup_calorimeter_pic.jpg) par le Community College Consortium for Bioscience Credentials (https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=User:C3bc-taaccct&action=edit&redlink=1) sous licence CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/)
- Fig.2 - Un calorimètre à bombe (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ed/Bomb_Calorimeter_Diagram.png/640px-Bomb_Calorimeter_Diagram.png) par Lisdavid89 (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Lisdavid89) sous licence CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
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