Si vous regardez la surface d'un étang gelé fondre lentement par un après-midi d'hiver inhabituellement chaud et que la même chose se produit sur le surface d'une flaque gelée de bonne taille à proximité, vous pourriez observer que la glace dans chacune semble être transformée en eau à peu près au même taux.
Mais que se passerait-il si toute la lumière du soleil tombant sur la surface exposée de l'étang, peut-être un acre, était simultanément concentrée sur la surface de la flaque d'eau ?
Votre intuition vous dit probablement que non seulement la surface de la flaque se fondrait très rapidement dans l'eau, mais la flaque entière pourrait même devenir de la vapeur d'eau presque instantanément, contournant la phase liquide pour devenir un liquide gaz. Mais pourquoi, du point de vue des sciences physiques, cela devrait-il être le cas ?
Cette même intuition vous dit probablement qu'il existe une relation entre la chaleur, la masse et le changement de température de la glace, de l'eau ou des deux.
En l'occurrence, c'est le cas et l'idée s'étend également à d'autres substances, dont chacune a des « résistances » à la chaleur, se manifestant par différents changements de température en réponse à une quantité donnée si elle est ajoutée Chauffer. Ces idées se combinent pour offrir les concepts de chaleur spécifique et capacité thermique.
Qu'est-ce que la chaleur en physique ?
La chaleur est l'une des formes apparemment innombrables de la quantité connue sous le nom d'énergie en physique. L'énergie a des unités de force fois la distance, ou newton-mètres, mais cela s'appelle généralement le joule (J). Dans certaines applications, la calorie, égale à 4,18 J, est l'unité standard; dans d'autres encore, le btu, ou unité thématique britannique, règne en maître.
La chaleur a tendance à "se déplacer" des zones plus chaudes vers les zones plus froides, c'est-à-dire vers des régions où il y a actuellement moins de chaleur. Alors que la chaleur ne peut pas être retenue ou vue, les changements de son amplitude peuvent être mesurés via les changements de température.
La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne d'un ensemble de molécules, comme un bécher d'eau ou un récipient de gaz. L'ajout de chaleur augmente cette énergie cinétique moléculaire, et donc la température, tandis que la réduire abaisse la température.
Qu'est-ce que la calorimétrie?
Pourquoi un joule est-il égal à 4,18 calories? Parce que la calorie (cal), bien qu'elle ne soit pas l'unité SI de chaleur, est dérivée des unités métriques et est fondamentale d'une certaine manière: c'est la quantité de chaleur nécessaire pour élever un gramme d'eau à température ambiante de 1 K ou 1 °C. (Un changement de 1 degré sur l'échelle Kelvin est identique à un changement de 1 degré sur l'échelle Celsius; cependant, les deux sont décalés d'environ 273 degrés, de sorte que 0 K = 273,15 °C.)
- La « calorie » sur les étiquettes des aliments est en fait une kilocalorie (kcal), ce qui signifie qu'une canette de 12 onces de soda sucré contient environ 150 000 calories réelles.
La façon dont on peut déterminer une telle chose par l'expérimentation, en utilisant de l'eau ou une autre substance, est d'en placer une masse donnée dans un récipient, ajouter une quantité donnée de chaleur sans laisser aucune substance ou chaleur s'échapper de l'assemblage, et mesurer le changement de Température.
Puisque vous connaissez la masse de la substance et pouvez supposer que la chaleur et la température sont uniformes partout, vous peut déterminer par simple division combien de chaleur changerait une quantité unitaire, comme 1 gramme, par le même Température.
L'équation de capacité calorifique expliquée
La formule de la capacité calorifique se présente sous diverses formes, mais elles reviennent toutes à la même équation de base :
Q = mCΔT
Cette équation indique simplement que le changement de chaleur Q d'un système fermé (un liquide, un gaz ou un solide matériau) est égal à la masse m de l'échantillon multipliée par la variation de température ΔT multipliée par un paramètre C appelé la capacité thermique spécifique, ou juste chaleur spécifique. Plus la valeur de C est élevée, plus un système peut absorber de chaleur tout en maintenant la même augmentation de température.
Qu'est-ce que la capacité thermique spécifique ?
La capacité calorifique est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'un objet d'une certaine quantité (généralement 1 K), donc les unités SI sont J/K. L'objet peut être uniforme ou ne pas l'être. Il serait possible de déterminer approximativement la capacité calorifique d'un mélange de substances telles que la boue si vous connaissait sa masse et mesurait sa variation de température en réponse à son chauffage dans un dispositif scellé de quelque sorte.
Une quantité plus utile en chimie, physique et ingénierie est capacité thermique massique C, mesurée en unités de chaleur par unité de masse. Les unités de capacité thermique spécifique sont généralement des joules par gramme-kelvin, ou J/g⋅K, même si le kilogramme (kg) est l'unité SI de masse. Une des raisons pour lesquelles la chaleur spécifique est utile est que si vous avez une masse connue d'une substance uniforme et que vous connaissez sa chaleur capacité, vous pouvez juger de son aptitude à servir de "dissipateur thermique" pour éviter les risques d'incendie dans certains expérimentaux situations.
L'eau a en fait une capacité calorifique très élevée. Considérant que le corps humain doit être capable de tolérer l'addition ou la soustraction de quantités importantes de chaleur grâce à la Terre conditions variables, ce serait une exigence de base de toute entité biologique composée principalement d'eau, car presque tous les êtres vivants les choses sont.
Capacité calorifique vs. Chaleur spécifique
Imaginez un stade de sport pouvant accueillir 100 000 personnes et un autre à travers la ville pouvant accueillir 50 000 personnes. En un coup d'œil, il est clair que la "capacité assise" absolue du premier stade est le double de celle du second. Mais imaginez aussi que le deuxième stade soit construit de telle sorte qu'il n'occupe que un quart du volume du premier.
Si vous faites l'algèbre, vous constatez que le plus petit stade peut accueillir en fait deux fois plus de personnes par unité d'espace comme le plus grand, en lui donnant le double de la valeur "siège spécifique".
Dans cette analogie, pensez aux spectateurs individuels comme à des unités de chaleur de grandeur identique, entrant et sortant du stade. Alors que le plus grand stade peut contenir deux fois plus de « chaleur » dans l'ensemble, le plus petit stade a en fait deux fois la capacité de « stocker » cette version de « chaleur » par unité d'espace.
Si chaque section de même taille des deux stades est supposée produire la même quantité de déchets d'après-match lorsqu'elle est pleine, quel que soit le nombre de personnes qu'il contient, le plus petit sera deux fois plus efficace pour réduire la litière de individuel spectateurs; Pensez-y comme étant deux fois plus résistant aux augmentations de température par unité de chaleur ajoutée.
À partir de là, vous pouvez voir que si deux objets avec la même chaleur spécifique ont des masses différentes, le plus grand aura une plus grande capacité calorifique d'une quantité qui dépend de sa masse. Lorsque l'on compare des objets de masses différentes et de chaleurs spécifiques différentes, la situation devient plus complexe.
Exemple de calcul de capacité thermique spécifique
Le cuivre métallique a une chaleur spécifique de 0,386 J/g⋅K. Quelle quantité de chaleur est nécessaire pour élever la température de 1 kg (1 000 g ou 2,2 livres) de cuivre de 0 °C à 100 °C ?
Q = (m)(C)(ΔT) = (1 000 g) (0,386 J/g⋅K) (100 K) = 38 600 J = 38,6 kJ.
Quel est le capacité thermique de ce morceau de cuivre? Vous avez besoin de 38 600 J pour augmenter la masse entière de 100 K, il vous en faudrait donc 1/100 pour l'augmenter de 1 K. Ainsi, la capacité calorifique du cuivre dans cette taille est de 386 J.