Supposons que vous versiez une quantité fixe d'eau dans deux béchers différents. Un bécher est grand et étroit, et l'autre bécher est grand et large. Si la quantité d'eau versée dans chaque bécher est la même, vous vous attendriez à ce que le niveau d'eau soit plus élevé dans le bécher étroit.
La largeur de ces godets est analogue au concept de capacité thermique spécifique. Dans cette analogie, l'eau versée dans les seaux peut être considérée comme l'énergie thermique ajoutée à deux matériaux différents. L'élévation de niveau sur les godets est analogue à l'élévation de température qui en résulte.
Qu'est-ce que la capacité thermique spécifique ?
La capacité thermique spécifique d'un matériau est la quantité d'énergie thermique nécessaire pour élever une unité de masse de ce matériau de 1 Kelvin (ou degré Celsius). Les unités SI de capacité thermique spécifique sont J/kgK (joules par kilogramme × Kelvin).
La chaleur spécifique varie en fonction des propriétés physiques d'un matériau. En tant que telle, il s'agit d'une valeur que vous recherchez généralement dans un tableau. La chaleur
Qajouté à un matériau de massemavec capacité thermique spécifiquecentraîne un changement de températureTdéterminé par la relation suivante :Q=mc\Delta T
La chaleur spécifique de l'eau
La capacité calorifique spécifique du granit est de 790 J/kgK, celle du plomb de 128 J/kgK, celle du verre de 840 J/kgK, celle du cuivre de 386 J/kgK et celle de l'eau de 4 186 J/kgK. Notez à quel point la capacité thermique spécifique de l'eau est supérieure à celle des autres substances de la liste. Il s'avère que l'eau a l'une des capacités thermiques spécifiques les plus élevées de toutes les substances.
Les substances avec des capacités thermiques spécifiques plus importantes peuvent avoir des températures beaucoup plus stables. C'est-à-dire que leurs températures ne fluctuent pas autant lorsque vous ajoutez ou supprimez de l'énergie thermique. (Repensez à l'analogie du bécher au début de cet article. Si vous ajoutez et soustrayez la même quantité de liquide dans le bécher large et étroit, le niveau change beaucoup moins dans le bécher large.)
C'est pour cette raison que les villes côtières ont des climats beaucoup plus tempérés que les villes de l'intérieur. La proximité d'un si grand plan d'eau stabilise leurs températures.
La grande capacité calorifique spécifique de l'eau est également la raison pour laquelle, lorsque vous sortez une pizza du four, la sauce vous brûlera encore une fois la croûte refroidie. La sauce contenant de l'eau doit dégager beaucoup plus d'énergie thermique avant de pouvoir baisser en température par rapport à la croûte.
Exemple de capacité thermique spécifique
Supposons que 10 000 J d'énergie thermique soient ajoutés à 1 kg de sable (cs = 840 J/kgK) initialement à 20 degrés Celsius, tandis que la même quantité d'énergie thermique est ajoutée à un mélange de 0,5 kg de sable et 0,5 kg d'eau, également initialement à 20 C. Comment la température finale du sable se compare-t-elle à la température finale du mélange sable/eau ?
Solution:Tout d'abord, résolvez la formule de la chaleur pourTobtenir:
\Delta T=\frac{Q}{mc}
Pour le sable, alors, vous obtenez le changement de température suivant :
\Delta T=\frac{10 000}{1\times 840}=11,9 \text{ degrés}
Ce qui donne une température finale de 31,9 C.
Pour le mélange de sable et d'eau, c'est un peu plus compliqué. Vous ne pouvez pas simplement diviser l'énergie thermique également entre l'eau et le sable. Ils sont mélangés ensemble, ils doivent donc subir le même changement de température.
Bien que vous connaissiez l'énergie thermique totale, vous ne savez pas combien chacun obtient au début. LaisserQsêtre la quantité d'énergie de la chaleur que le sable obtient etQwêtre la quantité d'énergie que l'eau obtient. Utilisez maintenant le fait queQ = Qs + Qwpour obtenir les éléments suivants :
Q=Q_s+Q_w=m_sc_s\Delta T+m_wc_w\Delta T=(m_sc_s+m_wc_w)\Delta T
Il est maintenant simple de résoudreT :
\Delta T = \frac{Q}{m_sc_s+m_wc_w}
Le branchement des nombres donne alors :
\Delta T = \frac{10 000}{0,5\times 840+0,5\times 4186} = 4 \text{ degrés}
Le mélange ne monte que de 4 C, pour une température finale de 24 C, nettement inférieure à celle du sable pur !