La chaleur spécifique est une mesure utilisée en thermodynamique et en calorimétrie qui indique la quantité d’énergie thermique nécessaire pour augmenter la température d’une masse donnée d’une substance particulière d’une certaine quantité. Bien que différentes échelles de mesure soient parfois utilisées, ce terme se réfère généralement spécifiquement à la quantité requise pour augmenter 1 gramme d’une substance de 1.8 ° F (1 ° Celsius). Il s’ensuit que si l’on ajoute deux fois plus d’énergie à une substance, sa température devrait augmenter de deux fois plus. La chaleur spécifique est généralement exprimée en joules, l’unité généralement utilisée en chimie et en physique pour décrire l’énergie. C’est un facteur important pour la science, l’ingénierie et la compréhension du climat de la Terre.
Chaleur et température
L’énergie thermique et la température sont deux concepts différents, et il est important de comprendre la différence. Le premier est une quantité en thermodynamique qui décrit la quantité de changement qu’un système peut causer à son environnement. Le transfert de cette énergie à un objet fait que ses molécules se déplacent plus rapidement ; cette augmentation de l’énergie cinétique est ce qui est mesuré, ou vécu, comme une augmentation de la température.
Chaleur spécifique et capacité calorifique
Ces deux propriétés sont souvent confondues. Le premier est le nombre de joules requis pour augmenter la température d’une masse donnée d’une substance d’une unité. Il est toujours donné par unité de masse, par exemple 0.45 j/g°C, qui est la chaleur spécifique du fer, ou le nombre de joules d’énergie thermique pour élever la température d’un gramme de fer d’un degré Celsius. Cette valeur est donc indépendante de la quantité de fer.
La capacité calorifique – parfois appelée «masse thermique» – est le nombre de joules requis pour élever la température d’une masse particulière de matériau de 1.8 °F (1 °Celsius), et est simplement la chaleur spécifique du matériau multipliée par sa masse. Elle se mesure en joules par °C. La capacité calorifique d’un objet en fer, et pesant 100g, serait de 0.45 X 100, soit 45j/°C. Cette propriété peut être considérée comme la capacité d’un objet à stocker de la chaleur.
La chaleur spécifique d’une substance est plus ou moins vraie sur une large gamme de températures, c’est-à-dire que l’énergie nécessaire pour produire une augmentation d’un degré dans une substance donnée ne varie que légèrement avec sa valeur initiale. Elle ne s’applique cependant pas lorsque la substance subit un changement d’état. Par exemple, si de la chaleur est continuellement appliquée à une quantité d’eau, elle produira une élévation de température en fonction de la chaleur spécifique de l’eau. Lorsque le point d’ébullition est atteint, cependant, il n’y aura plus d’augmentation; au lieu de cela, l’énergie ira dans la production de vapeur d’eau. Il en va de même pour les solides lorsque le point de fusion est atteint.
Une mesure désormais dépassée de l’énergie, la calorie, est basée sur la chaleur spécifique de l’eau. Une calorie est la quantité d’énergie nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau de 1.8 °F (1 °C) à une pression atmosphérique normale. Il équivaut à 4.184 joules. Des valeurs légèrement différentes peuvent être données pour la chaleur spécifique de l’eau, car elle varie un peu avec la température et la pression.
Effets
Différentes substances peuvent avoir des chaleurs spécifiques très différentes. Les métaux, par exemple, ont tendance à avoir des valeurs très faibles. Cela signifie qu’ils chauffent rapidement et refroidissent rapidement ; ils ont également tendance à se dilater de manière significative à mesure qu’ils deviennent plus chauds. Cela a des implications pour l’ingénierie et la conception : il faut souvent tenir compte de l’expansion des pièces métalliques dans les structures et les machines.
L’eau, en revanche, a une chaleur spécifique très élevée — neuf fois celle du fer et 32 fois celle de l’or. En raison de la structure moléculaire de l’eau, une grande quantité d’énergie est nécessaire pour augmenter sa température même d’une petite quantité. Cela signifie également que l’eau chaude met beaucoup de temps à se refroidir.
Cette propriété est essentielle à la vie sur Terre, car l’eau a un effet stabilisateur important sur le climat mondial. Pendant l’hiver, les océans se refroidissent lentement et libèrent une quantité importante de chaleur dans l’environnement, ce qui aide à maintenir la température mondiale raisonnablement stable. A l’inverse, en été, il faut beaucoup de chaleur pour augmenter significativement la température des océans. Cela a un effet modérateur sur le climat. Les intérieurs continentaux, loin de l’océan, connaissent des températures extrêmes bien plus élevées que les régions côtières.