Capacité thermique : définition avec exemples

Capacité thermique : définition avec exemples

La capacité thermique (également appelée capacité thermique) est une propriété qui indique la quantité totale de chaleur qu'une substance ou un système peut absorber ou libérer lorsque sa température change. Il représente la capacité d'un objet ou d'un système à stocker de l'énergie thermique.

Il s’agit d’une thermodynamique extensive, ce qui signifie que sa valeur dépend de la quantité de matière. De plus, sa valeur dépend d’autres propriétés telles que la masse de l’objet ou du système, sa composition chimique, sa structure et sa capacité à stocker de l’énergie thermique.

Définition, qu'est-ce que la capacité thermique ?

bec bunsen dans un laboratoireLa définition de la capacité thermique peut être définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'un objet ou d'un système d'une unité de température (généralement des degrés Celsius ou Kelvin).

Elle est exprimée en unités d'énergie par degré Celsius ou Kelvin, c'est-à-dire en joules par degré Celsius (J/°C) ou en joules par Kelvin (J/K).

Exemples de capacités thermiques

Voici un tableau montrant des exemples de capacité thermique de différents matériaux et substances à pression constante.

Substance

Capacité thermique (J/g°C)

Description

Eau

4.18

L'eau a une capacité thermique élevée et est essentielle à la régulation thermique sur Terre.

Aluminium

0,90

L'aluminium est un métal léger couramment utilisé dans les applications industrielles.

Fer

0,45

Le fer est un métal fréquemment utilisé dans la fabrication de structures et de machines.

Air

1,00

L'air sec est un mélange de différents gaz présents dans l'atmosphère.

Plomb

0,13

Le plomb est un métal lourd utilisé dans diverses applications industrielles et dans les batteries.

Éthanol

2.44

L'éthanol est un alcool courant et est utilisé comme carburant et solvant.

Types de capacités calorifiques

 Il existe plusieurs types de capacités thermiques utilisées pour décrire comment la capacité d'un objet ou d'une substance à stocker de la chaleur varie dans différentes conditions. Les types de capacités thermiques les plus courants sont :

  1. Capacité thermique à volume constant (Cv) : C'est la capacité thermique d'un objet ou d'une substance lorsque le volume reste constant pendant le processus de transfert de chaleur. Dans ce cas, aucun travail n’est effectué par l’objet ou la substance et toute l’énergie transférée est convertie en changements d’énergie internes. Cv est utilisé pour décrire comment la température d'un système change à volume constant.
  2. Capacité thermique à pression constante (Cp) : C'est la capacité thermique d'un objet ou d'une substance lorsque la pression reste constante pendant le processus de transfert de chaleur. Dans ce cas, l'objet ou la substance peut effectuer un travail, tel que dilater ou comprimer le système, ainsi qu'absorber ou libérer de la chaleur. Cp est utilisé pour décrire comment la température d'un système change à pression constante.

Formule de capacité thermique

La formule générale de calcul de la capacité thermique (C) d'un objet ou d'un système peut s'exprimer comme suit :

C = Q / ΔT

Où:

  • C est la capacité thermique.

  • Q est la quantité de chaleur transférée ou absorbée par l'objet ou le système.

  • ΔT est le changement de température subi par l'objet ou le système.

Il est important de garder à l’esprit que la capacité thermique peut varier selon que le procédé est réalisé à volume constant (Cv) ou à pression constante (Cp).

Formule de capacité thermique molaire

De plus, dans certains cas, la capacité thermique molaire (Cm) est utilisée, qui représente la capacité thermique par mole de substance.

La formule générale de la capacité thermique molaire s’exprime comme suit :

Cm = C / n

Où:

  • Cm est la capacité thermique molaire.

  • C est la capacité thermique.

  • n est le nombre de moles de substance.

Importance de la capacité thermique

La capacité thermique est une propriété clé dans de nombreux domaines de la science et de l’ingénierie. Ci-dessous, nous explorons certaines de ses applications les plus pertinentes :

Conception et optimisation de systèmes de transfert de chaleur

La capacité thermique est essentielle dans la conception de systèmes thermiques tels que les échangeurs de chaleur, les chaudières et les systèmes de climatisation. Dans les échangeurs de chaleur, des fluides à capacité thermique élevée sont sélectionnés pour maximiser l’efficacité du transfert de chaleur sans provoquer de changements brusques de température.

centrale solaire à tourDans l’industrie de la réfrigération, des gaz dotés de propriétés thermiques spécifiques sont utilisés pour améliorer l’efficacité énergétique des systèmes industriels de climatisation et de réfrigération.

Dans les processus de production d'électricité, tels que les centrales solaires thermiques et nucléaires, les matériaux utilisés dans les chaudières et les canalisations doivent avoir une capacité thermique adéquate pour absorber et transférer de grandes quantités de chaleur sans dommages structurels.

Cela s'applique également aux moteurs à combustion interne et aux systèmes de refroidissement afin d'éviter la surchauffe des composants critiques.

Prédiction des changements de température et de l'équilibre thermique

La capacité thermique nous permet de prédire comment la température d’un objet ou d’un système variera lorsque de la chaleur est ajoutée ou supprimée. Par exemple, en climatologie, cette propriété est essentielle pour comprendre comment les océans stockent et libèrent de la chaleur, régulant le climat mondial et lissant les variations de température entre le jour et la nuit.

En ingénierie, il est utilisé pour modéliser le comportement thermique des structures et des systèmes mécaniques. Par exemple, dans la construction de bâtiments durables, des matériaux à haute capacité thermique sont sélectionnés pour stocker la chaleur pendant la journée et la restituer la nuit, améliorant ainsi l'efficacité énergétique. Il est également appliqué à la conception des batteries, où le contrôle de la température est essentiel pour maintenir des performances optimales et prolonger la durée de vie de la batterie.

Etude des procédés de chauffage et de refroidissement

Dans l’industrie et la recherche, comprendre comment les matériaux et les substances sont chauffés ou refroidis est essentiel pour optimiser les processus thermiques. En métallurgie, la capacité thermique des métaux influence leurs procédés de traitement thermique, tels que la trempe et le recuit, qui améliorent leurs propriétés mécaniques.

Dans l’industrie agroalimentaire, les procédés de pasteurisation et de congélation dépendent d’un contrôle précis du chauffage et du refroidissement des produits. La capacité thermique des ingrédients détermine la quantité d’énergie nécessaire pour atteindre des températures sûres sans affecter la qualité du produit. De même, dans la production de verre et de céramique, un refroidissement contrôlé évite les contraintes internes susceptibles de provoquer des fractures.

Caractérisation des propriétés des matériaux

Chaleur dans un processus de coulée d'acierLa capacité thermique est une propriété clé pour la caractérisation thermique de matériaux tels que les métaux, les liquides, les gaz et les solides. En ingénierie des matériaux, il est utilisé pour déterminer quels matériaux sont les plus adaptés aux applications impliquant une exposition à des températures élevées ou des changements thermiques fréquents.

Par exemple, dans l’industrie aérospatiale, les matériaux des engins spatiaux doivent avoir une capacité thermique adéquate pour résister à des frottements extrêmes et à des températures fluctuantes lors de la rentrée atmosphérique. En électronique, des matériaux à faible capacité thermique sont choisis pour les dissipateurs thermiques, permettant un transfert de chaleur efficace loin des circuits sensibles.

Etude des réactions chimiques

En chimie, la capacité thermique est essentielle pour calculer la quantité de chaleur absorbée ou libérée lors d’une réaction. En calorimétrie, il est utilisé pour mesurer l’enthalpie des réactions chimiques, ce qui permet de comprendre leur faisabilité et leur sécurité.

Par exemple, dans l’industrie pharmaceutique, la stabilité thermique des composés est cruciale pour garantir l’efficacité des médicaments pendant le stockage et le transport. Dans la production de combustibles et d'explosifs, la capacité thermique des matériaux est étudiée pour prédire comment ils réagiront aux changements de température et éviter les risques d'inflammation ou d'explosion.

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Date de Publication: 3 juillet 2023
Dernière Révision: 30 janvier 2025