Chaleur spécifique

 

Chaleur spécifique est un autre concept essentiel qui relie les substances à la température. Elle est appelée « c » et désigne la quantité de chaleur qui doit être appliquée à une substance pour augmenter sa température d’un degré. Étant donné l’importance de ce concept dans les systèmes de réfrigération et dans la vie quotidienne, sa définition ainsi que des informations relatives à ses applications seront présentées. 

Concept de chaleur spécifique

La chaleur spécifique est également connue sous le nom de capacité calorifique spécifique d’une substance. Il s’agit d’une grandeur qui définit et mesure la capacité d’un matériau particulier à conserver l’énergie sous forme de chaleur en interne. De même, la chaleur spécifique peut être définie comme l’énergie nécessaire pour augmenter la température d’une substance donnée d’un degré . Selon le système international (SI), une telle mesure est donnée en joules d’énergie. Plus précisément, la quantité de joules nécessaire pour augmenter d’un degré kelvin (K) la température est mesurée. Cependant, concernant la masse utilisée comme référence pour connaître cette mesure, elle est de 1 kg. 

Comme mentionné précédemment, la chaleur spécifique est représentée par la lettre C. Par conséquent, lorsqu’il s’agit d’une substance qui nécessite beaucoup d’énergie ou de joules pour augmenter sa température d’un degré kelvin, on parle d’une substance avec une valeur de chaleur spécifique élevée. Si elle en nécessite peu – c’est-à-dire si c’est une substance qui peut facilement augmenter sa température – il s’agit d’une substance avec une faible valeur de chaleur spécifique. Il est possible d’illustrer cette question avec des exemples tirés du domaine des métaux ; en comparant spécifiquement l’énergie nécessaire pour augmenter la température d’un lingot de 1 kg de plomb et de 1 kg de magnésium. Huit fois plus d’énergie est requise pour augmenter la température d’un degré kelvin du magnésium que du plomb. 

Par conséquent, une autre caractéristique de la chaleur spécifique doit être donnée. Si ce qui définit chaque substance est sa nature moléculaire, on peut en conclure que la chaleur spécifique des substances est unique. C’est-à-dire que chaque substance a comme propriété spécifique sa chaleur spécifique, et cette propriété est unique à cette substance seule. Ces mesures peuvent être connues dans une table de référence. Cependant, il convient d’ajouter qu’il existe des facteurs tels que la pression qui peuvent modifier d’autres variables telles que le point d’ébullition. 

Le terme « chaleur spécifique » trouve son origine chez le physicien Joseph Black, qui s’est consacré à l’étude du phénomène de chaleur. Au début, la propriété de la chaleur spécifique était définie comme une « capacité calorifique ». La raison en est que, à cette époque, la thermodynamique et la mécanique étaient considérées comme des connaissances distinctes et non interconnectées. Le terme « chaleur spécifique » est en fait anachronique, car le processus concerne plutôt un transfert et les substances n’ont pas de chaleur « spécifique » ou « propre ». Cependant, le terme est utilisé depuis l’époque de Joseph Black, bien qu’il doive être défini techniquement en termes de transfert de chaleur et non comme une propriété spécifique présente dans les substances.

Importance de la chaleur spécifique en thermodynamique

L’état de la matière peut être de trois manières : liquide, gazeux ou solide. Cet état de la matière peut être transformé artificiellement. La capacité de chaleur spécifique d’un matériau indique la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer une substance ; par conséquent, la relation entre la thermodynamique et la chaleur spécifique est directe. Premièrement, elle doit être mise en relation avec la pression. Le volume et la pression constante sont généralement pris comme références dans un milieu où l’apport de chaleur implique une augmentation de niveau. En effet, lorsqu’une substance est chauffée, cela provoque le mouvement des atomes qui composent ses molécules. Cela est dû à l’accumulation d’énergie sous forme de chaleur qu’elles subissent. Ce mouvement est précisément celui qui augmente son volume, puisque l’espace entre un atome et un autre augmente progressivement avec la température. 

En fait, si la température continue d’augmenter, l’état liquide de ce composant devient gazeux au moment où les liaisons entre ses molécules s’étendent à un tel point qu’elles tendent à occuper autant d’espace que possible. Ainsi, il existe une relation directe entre la température et le volume. Pour cette raison, il existe également une relation directe avec la pression. 

Plus la pression est élevée, plus le volume est faible ; de cette manière, il est possible de modifier l’état dans lequel se trouve une substance en modifiant sa température ou sa pression. Comme il a été dit, lorsque la température augmente, l’énergie cinétique des molécules d’une substance augmente, ce qui peut provoquer un changement d’état. Progressivement, d’un état solide – lorsqu’il y a moins de mouvement – à un état liquide, et enfin à un état gazeux – lorsque son mouvement et sa séparation sont maximaux –. Quelque chose de similaire se produit avec la pression, mais de manière inversement proportionnelle. Plus la pression est élevée, moins les atomes des molécules peuvent se déplacer, et plus leurs liaisons restent « serrées ». Par conséquent, une façon de passer une substance de l’état gazeux à l’état liquide ou de liquide à solide est par la pression. 

Comme mentionné précédemment, la pression est liée à la température, car la température dans l’atmosphère elle-même, plus la température est basse, plus il y a de densité ou de pression dans l’air, ce qui augmente le poids sur tout ce qui l’entoure. C’est précisément pour cette raison que le point d’ébullition varie selon l’altitude (pression atmosphérique). C’est également ce concept qui explique la condensation : lorsque l’eau ou une substance suspendue dans l’air refroidit, ses molécules se rejoignent et passent de l’état gazeux à l’état liquide. Lorsqu’on manipule artificiellement l’état d’une substance, des changements de pression peuvent également être utilisés. C’est précisément pourquoi il est si important de garder les valeurs contrôlées, pour éviter tout changement d’état potentiel de cette substance, 

ce qui a ses applications dans différents domaines. Par exemple, le bâtiment cherche à utiliser des matériaux pouvant avoir une grande capacité calorifique spécifique pour maintenir les espaces frais en été. Dans l’industrie, on recherche des matériaux pour la construction de systèmes de chauffage et de fours, ce qui aide à maximiser leur performance et à améliorer leur efficacité.

Chaleur spécifique et capacité thermique

Les substances ou objets absorbent différents degrés de chaleur. C’est une expérience que l’on peut constater au quotidien, et cela nous renseigne sur leur capacité à « absorber » la chaleur et à la stocker. Cependant, la chaleur spécifique doit être distinguée de la capacité thermique : La capacité thermique peut être définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d’une quantité donnée de substance d’un degré. Ainsi, c’est une valeur qui dépend de la quantité de substance: Pour clarifier, on peut dire que bien que l’eau dans un verre soit la même que celle d’une piscine, la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer la piscine est beaucoup plus élevée que celle du verre. Par conséquent, c’est une propriété extensive qui s’exprime en chaleur sur degrés Celsius.