Différents matériaux chauffent à des vitesses différentes, et calculer combien de temps il faudra pour augmenter la température d'un objet d'une quantité spécifiée est un problème courant pour les étudiants en physique. Pour le calculer, vous devez connaître la capacité thermique spécifique de l'objet, la masse de l'objet, le changement de température que vous recherchez et la vitesse à laquelle l'énergie thermique lui est fournie. Voir ce calcul effectué pour l'eau et le plomb pour comprendre le processus et comment il est calculé en général.
TL; DR (trop long; n'a pas lu)
Calculer la chaleur (Q) requis en utilisant la formule :
Q = mc∆T
Où m désigne la masse de l'objet, c représente la capacité thermique massique et ∆T est le changement de température. Le temps mis (t) pour chauffer l'objet lorsque l'énergie est fournie à la puissance P est donné par:
t= Q ÷ P
La formule pour la quantité d'énergie thermique nécessaire pour produire un certain changement de température est :
Q = mc∆T
Où m désigne la masse de l'objet,
c est la capacité thermique spécifique du matériau dont il est fait et ∆T est le changement de température. Tout d'abord, calculez le changement de température à l'aide de la formule :∆T = température finale – température de départ
Si vous chauffez quelque chose de 10° à 50°, cela donne :
∆T = 50° – 10°
= 40°
Notez que même si Celsius et Kelvin sont des unités différentes (et 0 °C = 273 K), un changement de 1 °C équivaut à un changement de 1 K, ils peuvent donc être utilisés de manière interchangeable dans cette formule.
Chaque matériau a une capacité thermique spécifique unique, qui vous indique la quantité d'énergie nécessaire pour le chauffer de 1 degré Kelvin (ou 1 degré Celsius), pour une quantité spécifique d'une substance ou d'un matériau. Trouver la capacité calorifique de votre matériau spécifique nécessite souvent de consulter des tableaux en ligne (voir Ressources), mais voici quelques valeurs pour c pour les matières courantes, en joules par kilogramme et par Kelvin (J/kg K) :
Alcool (à boire) = 2 400
Aluminium = 900
Bismuth = 123
Laiton = 380
Cuivre = 386
Glace (à -10° C) = 2 050
Verre = 840
Or = 126
Granit = 790
Plomb = 128
Mercure = 140
Argent = 233
Tungstène = 134
Eau = 4 186
Zinc = 387
Choisissez la valeur appropriée pour votre substance. Dans ces exemples, l'accent sera mis sur l'eau (c = 4 186 J/kg K) et le plomb (c = 128 J/kgK).
La quantité finale dans l'équation est m pour la masse de l'objet. En bref, il faut plus d'énergie pour chauffer une plus grande quantité d'un matériau. Donc, pour l'exemple, imaginez que vous calculez la chaleur nécessaire pour chauffer 1 kilogramme (kg) d'eau et 10 kg de plomb par 40 K. La formule indique :
Q = mc∆T
Donc pour l'exemple de l'eau :
Q = 1 kg × 4186 J/kg K × 40 K
= 167 440 J
= 167,44 kJ
Il faut donc 167,44 kilojoules d'énergie (c'est-à-dire plus de 167 000 joules) pour chauffer 1 kg d'eau à 40 K ou 40 °C.
Pour le plomb :
Q = 10 kg × 128 J/kg K × 40 K
= 51 200 J
= 51,2 kJ
Il faut donc 51,2 kJ (51 200 joules) d'énergie pour chauffer 10 kg de plomb à 40 K ou 40 °C. Notez qu'il faut moins d'énergie pour chauffer dix fois plus de plomb par la même quantité, car le plomb est plus facile à chauffer que l'eau.
La puissance mesure l'énergie délivrée par seconde, ce qui permet de calculer le temps mis pour chauffer l'objet en question. Temps pris (t) est donné par:
t= Q ÷ P
Où Q est l'énergie thermique calculée à l'étape précédente et P est la puissance en watts (W, c'est-à-dire en joules par seconde). Imaginez que l'eau de l'exemple est chauffée par une bouilloire de 2 kW (2 000 W). Le résultat de la section précédente donne :
t= 167440 J 2000 J/s
= 83,72 s
Il faut donc un peu moins de 84 secondes pour chauffer 1 kg d'eau à 40 K avec une bouilloire de 2 kW. Si le bloc de plomb de 10 kg était alimenté au même débit, le chauffage prendrait :
t= 51200 J ÷ 2000 J/s
= 25,6 s
Il faut donc 25,6 secondes pour chauffer le plomb si la chaleur est fournie à la même vitesse. Encore une fois, cela reflète le fait que le plomb se réchauffe plus facilement que l'eau.