Définition de basedit

La capacité thermique d’un objet, désignée par C {\displaystyle C}

, est la limite C= lim Δ T → 0 Δ Q Δ T, {\displaystyle C = \lim _ {\Delta T\ to 0} {\frac {\Delta Q} {\Delta T}},}

où Δ Q {\displaystyle\Delta Q}

est la quantité de chaleur qu’il faut ajouter à l’objet (de masse M) pour augmenter sa température de Δ T {\displaystyle\Delta T}

.

La valeur de ce paramètre varie généralement considérablement en fonction de la température de départ T{\displaystyle T}

de l’objet et de la pression P{\displaystyle P}

qui lui est appliquée. En particulier, elle varie typiquement considérablement avec les transitions de phase telles que la fusion ou la vaporisation (voir enthalpie de fusion et enthalpie de vaporisation). Par conséquent, elle doit être considérée comme une fonction C(P,T) {\displaystyle C(P,T)}

de ces deux variables.

Variation avec temperatureEdit

La variation peut être ignorée dans des contextes lorsque vous travaillez avec des objets dans des plages étroites de température et de pression. Par exemple, la capacité thermique d’un bloc de fer pesant une livre est d’environ 204 J/K lorsqu’elle est mesurée à partir d’une température de départ T = 25 °C et P = 1 atm de pression. Cette valeur approximative est tout à fait adéquate pour toutes les températures comprises entre, disons, 15 ° C et 35 ° C, et les pressions environnantes de 0 à 10 atmosphères, car la valeur exacte varie très peu dans ces plages. On peut croire qu’un même apport de chaleur de 204 J fera passer la température du bloc de 15 °C à 16 °C, ou de 34 °C à 35 °C, avec une erreur négligeable.

Capacités thermiques pour un système homogène subissant différents processus thermodynamiquesedit

À pression constante, dQ = DU + PdV (procédé isobare)Edit

À pression constante, la chaleur fournie au système contribuerait à la fois au travail effectué et au changement d’énergie interne, selon la première loi de la thermodynamique. La capacité calorifique serait appelée C P. {\displaystyle C_{P}.}

À volume constant, dV = 0, dQ =DU (processus isochorique)Edit

Un système soumis à un processus à volume constant impliquerait qu’aucun travail ne serait effectué, de sorte que la chaleur fournie ne contribuerait qu’au changement d’énergie interne. La capacité thermique ainsi obtenue est notée C V. {\displaystyle C_{V}.}

La valeur de C V {\displaystyle C_{V}}

est toujours inférieure à la valeur de C P. {\displaystyle C_{P}.}

Calculating C P {\displaystyle C_{P}}

and C V {\displaystyle C_{V}}

for an ideal gasEdit

Mayer’s relation:

C P − C V = n R . {\displaystyle C_{P}-C_{V}=nR.}

C P/C V = γ, {\displaystyle C_{P}/C_{V}= \gamma,}

où

n {\displaystyle n}

est le nombre de moles du gaz, R {\displaystyle R}

est la constante universelle du gaz, γ {\displaystyle\gamma}

est le rapport de capacité thermique (peut être calculé en connaissant le nombre de degrés de liberté de la molécule de gaz).

En utilisant les deux relations ci−dessus, les chaleurs spécifiques peuvent être déduites comme suit:

C V = n R γ−1, {\displaystyle C_{V}= {\frac{nR}{\gamma-1}},}

C P = γ n R γ- 1. {\displaystyle C_{P}= \gamma{\frac{nR}{\gamma-1}}.}

À température constante (procédé isotherme)Edit

Aucun changement d’énergie interne (car la température du système est constante tout au long du processus) ne conduit qu’à un travail effectué sur la chaleur totale fournie, et donc une quantité infinie de chaleur est nécessaire pour augmenter la température du système d’une température unitaire, conduisant à une capacité thermique infinie ou indéfinie du système.

Au moment du changement de phase (transition de phase)Edit

La capacité thermique d’un système en transition de phase est infinie, car la chaleur est utilisée pour changer l’état du matériau plutôt que d’augmenter la température globale.

Objets hétérogénéesdit

La capacité thermique peut être bien définie même pour des objets hétérogènes, avec des pièces séparées faites de matériaux différents; comme un moteur électrique, un creuset avec un peu de métal ou un bâtiment entier. Dans de nombreux cas, la capacité thermique (isobare) de tels objets peut être calculée en additionnant simplement les capacités thermiques (isobares) des différentes pièces.

Cependant, ce calcul n’est valable que si toutes les parties de l’objet sont à la même pression externe avant et après la mesure. Cela peut ne pas être possible dans certains cas. Par exemple, lors du chauffage d’une quantité de gaz dans un récipient élastique, son volume et sa pression augmenteront tous deux, même si la pression atmosphérique à l’extérieur du récipient est maintenue constante. Par conséquent, la capacité thermique effective du gaz, dans cette situation, aura une valeur intermédiaire entre ses capacités isobares et isochoriques C P {\displaystyle C_{\mathrm{P}}}

et C V {\displaystyle C_ {\mathrm{V}}}

.

Pour des systèmes thermodynamiques complexes avec plusieurs parties et variables d’état en interaction, ou pour des conditions de mesure qui ne sont ni une pression constante ni un volume constant, ou pour des situations où la température est significativement non uniforme, les définitions simples de la capacité thermique ci-dessus ne sont pas utiles ni même significatives. L’énergie thermique fournie peut se retrouver sous forme d’énergie cinétique (énergie de mouvement) et d’énergie potentielle (énergie stockée dans des champs de force), à l’échelle macroscopique et atomique. Ensuite, le changement de température dépend du chemin particulier que le système a suivi dans son espace de phase entre les états initial et final. À savoir, il faut en quelque sorte spécifier comment les positions, les vitesses, les pressions, les volumes, etc. changer entre les états initial et final; et utiliser les outils généraux de la thermodynamique pour prédire la réaction du système à un faible apport d’énergie. Les modes de chauffage « volume constant » et « pression constante » ne sont que deux parmi une infinité de chemins qu’un simple système homogène peut suivre.