6.4: Quantification de la chaleur

La plus grande poêle en fonte, bien qu’elle soit faite de la même substance, a besoin de 90 700 J d’énergie (q) pour que sa température augmente de 50,0 °C (&DeltaT). La plus grande poêle a une capacité thermique (proportionnellement) plus grande car la plus grande quantité de matériau nécessite une quantité d’énergie (proportionnellement) plus grande pour générer le même changement de température :

La capacité thermique massique (c) d’une substance, qu’on appelle couramment “ chaleur spécifique ”, est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1 gramme d’une substance de 1 degré Celsius (ou 1 Kelvin) :  

La capacité thermique massique dépend uniquement du type de substance absorbant ou dégageant de la chaleur. C’est une propriété intensive, donc elle ne dépend pas de la quantité de la substance. Par exemple, la petite poêle en fonte a une masse de 808 g. La chaleur spécifique du fer (le matériau utilisé pour fabriquer la casserole) est donc :

La grande poêle à frire a une masse de 4040 g. À l’aide des données pour cette poêle, nous pouvons également calculer la chaleur spécifique du fer :  

Bien que la grande poêle soit plus massive que la petite poêle, puisqu’elles sont toutes les deux fabriquées avec le même matériau, elles génèrent toutes les deux la même valeur pour la chaleur spécifique (pour le matériau de construction, le fer). Notez que la chaleur spécifique est mesurée en unités d’énergie par température par masse et qu’elle est une propriété intensive, dérivée d’un rapport de deux propriétés extensives (chaleur et masse). La capacité thermique molaire, qui est également une propriété intensive, est la capacité thermique par mole d’une substance particulière, et elle a les unités J/mol⋅°C.

L’eau a une chaleur spécifique relativement élevée (environ 4,2 J/g⋅°C pour le liquide et 2,09 J/g⋅°C pour le solide) ; la plupart des métaux ont des chaleurs spécifiques beaucoup plus faibles (habituellement moins de 1 J/g⋅°C). Connaissant la masse (m) d’une substance et sa chaleur spécifique (c), on peut déterminer la quantité de chaleur, q entrant ou sortant de la substance en mesurant le changement de température (ΔT) avant et après que la chaleur soit gagnée ou perdue :  

Si une substance reçoit de l’énergie thermique, sa température augmente, sa température finale est supérieure à sa température initiale, T_final − T_initial a une valeur positive et la valeur de q est positive. Si une substance perd de l’énergie thermique, sa température diminue, la température finale est inférieure à la température initiale, T_final − T_initial a une valeur négative et la valeur de q est négative.

Notez que la relation entre la chaleur, la chaleur spécifique, la masse et le changement de température peut être utilisée pour déterminer l’une de ces quantités (pas seulement la chaleur) si les trois autres sont connues ou peuvent être déduites.

Ce texte est adapté de OpenStax Chemistry 2e, Section 5.1 : Notions d’énergie et OpenStax Chemistry 2e, Section 5.3 : Enthalpie.