Il faut plus de temps pour chauffer l'eau à une température plus élevée que pour faire fondre la glace. Bien que cela puisse sembler une situation déconcertante, c'est un contributeur majeur à la modération du climat qui permet à la vie d'exister sur Terre.
La capacité thermique spécifique
La capacité calorifique spécifique d'une substance est définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'une unité de masse de cette substance de 1 degré Celsius.
Calcul de la capacité calorifique spécifique
La formule pour la relation entre l'énergie thermique, le changement de température, la capacité thermique spécifique et le changement de température est Q = mc (delta T), où Q représente la chaleur ajoutée à la substance, c est la capacité thermique spécifique, m est la masse de la substance chauffée et delta T est la variation de la Température.
Différences dans l'eau et la glace
La chaleur spécifique de l'eau à 25 degrés Celsius est de 4,186 joules/gramme * degré Kelvin.
La capacité thermique spécifique de l'eau à -10 degrés Celsius (glace) est de 2,05 joules/gramme * degré Kelvin.
La capacité calorifique spécifique de l'eau à 100 degrés Celsius (vapeur) est de 2,080 joules/gramme * degré Kelvin.
Facteurs affectant la capacité thermique spécifique dans l'eau et la glace
La différence la plus évidente entre la glace et l'eau est probablement le fait que la glace est un solide et l'eau est un liquide, mais tandis que l'état de la matière passe du solide au liquide au gaz en fonction de la température, la formule chimique reste deux atomes d'hydrogène liés par covalence à un oxygène atome.
Un degré de liberté est toute forme d'énergie dans laquelle la chaleur transférée à un objet peut être stockée. Dans un solide, ces degrés de liberté sont limités par la structure de ce solide. L'énergie cinétique stockée à l'intérieur de la molécule contribue à la capacité thermique spécifique de cette substance et non à sa température.
En tant que liquide, l'eau a plus de directions pour se déplacer et pour absorber la chaleur qui lui est appliquée. Il y a plus de surface à chauffer pour que la température globale augmente.
Cependant, avec la glace, la surface ne change pas en raison de sa structure plus rigide. Au fur et à mesure que la glace se réchauffe, cette énergie thermique doit aller quelque part et elle commence à briser la structure du solide et à faire fondre la glace en eau.
Avantages de la capacité thermique spécifique plus élevée de l'eau
La capacité thermique spécifique plus élevée de l'eau ainsi que sa chaleur de vaporisation élevée lui permettent de modérer le climat de la Terre en faisant changer lentement les températures dans les zones autour de grands corps de l'eau.
En raison de la chaleur spécifique élevée de l'eau, l'eau et les terres à proximité des plans d'eau sont chauffées plus lentement que les terres sans eau. Plus d'énergie thermique est nécessaire pour chauffer la zone car l'eau absorbe l'énergie.
Une quantité similaire d'énergie thermique augmenterait la température de la terre ferme à une température beaucoup plus élevée, et le sol ou la saleté empêcherait la chaleur de pénétrer dans le sol. Les déserts atteignent des températures extrêmement élevées notamment à cause de leur manque d'eau.