La capacité thermique molaire est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’une mole d’une substance d’une unité & est calculée en divisant la capacité thermique par le nombre total de moles.
Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi nous ne nous brûlons pas en utilisant une poêle à frire ?
De toute évidence, c’est le manche qui nous protège, mais pourquoi ne devient-il pas aussi chaud que la poêle elle-même ? Elle est exposée à la même quantité de chaleur, après tout.
Bien, pour commencer, la poignée d’une poêle à frire est généralement faite de plastique, ce qui signifie que c’est un mauvais conducteur de chaleur. En outre, pour une même exposition à la chaleur, l’augmentation de la température du manche en plastique est bien moindre que celle de la partie métallique. Cela est attribué à la capacité thermique élevée de la poignée, par rapport au métal dont est faite la casserole.
La capacité thermique est définie comme la quantité d’énergie thermique nécessaire pour augmenter d’une unité la température d’une masse donnée d’une substance. La capacité calorifique spécifique et la capacité calorifique molaire sont des propriétés dérivées de la capacité calorifique d’un matériau.
En raison de la capacité calorifique élevée de la poignée, celle-ci ne devient pas aussi chaude que la poêle elle-même (Crédit photo : Kzenon/).
Chaleur spécifique &Chaleur spécifique molaire
La capacité calorifique est une propriété extensive, c’est-à-dire, elle dépend de la quantité et de la taille de la substance. En physique, une forme modifiée de la capacité thermique (appelée capacité thermique spécifique ou simplement chaleur spécifique) est couramment utilisée. La chaleur spécifique ne varie pas avec la quantité de la substance et constitue donc une propriété plus utile.
La chaleur spécifique est définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’une unité de masse de la substance de 1 unité de température. Mathématiquement, il s’agit de la capacité thermique d’une substance divisée par sa masse. La formule de la chaleur spécifique est:
Ici, c est la chaleur spécifique et a pour unités J/kg.K, C est la capacité thermique d’une substance en J/K, et m est la masse de la substance en kilogrammes. Une autre formule très importante utilisée pour exprimer la chaleur spécifique est:
Ici, c représente à nouveau la chaleur spécifique, ΔQ est la différence d’énergie thermique en joules, m est la masse de la substance et ΔT est la différence de température en Kelvin.
En chimie – où la quantité d’une substance est généralement mesurée en moles, et non en grammes – modifier davantage la définition et la formule de la capacité thermique pour inclure les moles rend les choses beaucoup plus faciles.
La capacité thermique molaire est définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’une mole d’une substance de 1 Kelvin . comme la chaleur spécifique, la capacité thermique molaire est une propriété intensive, c’est-à-dire, elle ne varie pas en fonction de la quantité de substance.
Mathématiquement, c’est la capacité thermique d’une substance divisée par le nombre de moles et s’exprime comme suit :
Ici, cm est la capacité thermique molaire (J/K.mol), C est la capacité thermique (J/K), et n est le nombre de moles (mol).
La chaleur spécifique et la capacité thermique molaire peuvent ne pas varier en fonction de la quantité ou de la taille de la substance, mais leurs valeurs fluctuent en fonction de la méthode de détermination.
Lorsqu’une substance, en particulier les gaz, reçoit de l’énergie thermique, l’augmentation de la température s’accompagne d’une augmentation du volume ou de la pression, et parfois des deux. Ces phénomènes sont expliqués par la loi de Charles et la loi de Gay-Lussac.
CP,m & CV,m sont souvent utilisés pour représenter les capacités thermiques molaires mesurées à pression constante (isobare) et à volume constant (isochore), respectivement.
La valeur de la chaleur spécifique molaire à pression constante est toujours supérieure à celle mesurée à volume constant. Cela s’explique par le fait que la chaleur fournie à pression constante est utilisée pour produire du travail et également se dilater en volume, alors que la chaleur fournie à volume constant est entièrement utilisée pour augmenter la température de la substance.
Le rapport entre CP et CV est appelé rapport de capacité thermique ou indice adiabatique (γ = CP/CV), et est un terme important lorsqu’on travaille avec des processus réversibles en thermodynamique. D’autre part, la différence entre CP,m & CV, m est égale à la constante universelle des gaz R. L’expression CP,m – CV, m = R est appelée relation de Mayer.
Comment calculer la capacité thermique molaire d’une substance ?
Trouver la capacité thermique d’une substance, et par la suite, sa chaleur spécifique et sa capacité thermique molaire, n’est pas vraiment sorcier. Ces valeurs peuvent être calculées en décomposant simplement leurs définitions, en trouvant les quantités individuelles (quantité de chaleur fournie ou retirée, température initiale, température finale, la masse et le nombre de moles de la substance) et en substituant ces valeurs à leurs places respectives dans les formules.
Etape 1 : trouver la capacité thermique
Comme déjà défini, la capacité thermique est la quantité de chaleur nécessaire pour élever d’une unité la température d’une quantité connue de la substance. La définition s’exprime ainsi :
Ici, C est la capacité thermique, Q représente l’énergie thermique et ΔT est la différence de température. ΔQ peut également remplacer Q.
ΔT est T1-T2, où T1 est la température initiale et T2 la température finale de la substance. Commencez par noter la température initiale/de départ T1 à l’aide d’un thermomètre. Pesez également l’échantillon (m) et notez la valeur en kg pour une utilisation ultérieure.
Puis, fournissez une quantité connue d’énergie thermique (Q) au système. La quantité d’énergie thermique peut être notée en joules ou en calories. Une fois que vous avez fini de fournir de la chaleur, attendez que la température se stabilise et notez la température finale sous la forme T2.
Convertissez la valeur de la température en Kelvin en ajoutant le nombre 273,15 à la valeur Celsius (0°c = 273,15 K). Si la valeur de l’énergie thermique fournie est disponible en calories, convertissez-la en joules. Multipliez la quantité d’énergie thermique en calories par 4,184 pour obtenir la quantité en joules (1 cal = 4,184 joules).
Enfin, substituez les valeurs de Q, T1 et T2 dans la formule de capacité thermique. Saisissez une calculatrice ou utilisez votre cerveau pour effectuer les calculs et obtenir la capacité thermique de l’échantillon. Les unités de la capacité thermique sont J/K.
Étape 2 : trouver la capacité thermique spécifique ou la chaleur spécifique
La capacité thermique spécifique ou la chaleur spécifique peut facilement être trouvée en divisant la capacité thermique de l’échantillon par sa masse (c = C/m). Allez-y et divisez la valeur de C trouvée à l’étape précédente par la valeur de m, également notée à l’étape précédente, pour obtenir la chaleur spécifique de l’échantillon. La quantité résultante aura les unités J/kg.K
Étape 3 : détermination de la capacité thermique molaire
Si vous faites défiler vers le haut et que vous jetez un œil à la formule de la capacité thermique molaire (cm= C/n), vous trouverez le terme » n « , qui représente le nombre de moles de l’échantillon. Pour trouver le nombre de moles, divisez la quantité de l’échantillon par sa masse molaire.
Maintenant que vous avez trouvé n, substituez la valeur de la capacité thermique (C) et le nombre de moles (n) dans la formule et calculez la capacité thermique molaire.
Une autre méthode pour déterminer la capacité thermique molaire consiste à multiplier la chaleur spécifique (c) de l’échantillon par sa masse molaire (M). Lors de cette opération, veillez à convertir la masse molaire en kg/mol.
Méthode alternative – Utiliser un calorimètre
Une autre méthode pour déterminer la chaleur spécifique d’une substance consiste à utiliser un calorimètre. Un calorimètre est un appareil scientifique composé des éléments suivants : un récipient intérieur et extérieur, un agitateur, un thermomètre, un matériau isolant, etc. Le récipient intérieur ou la tasse contient l’échantillon de matière dont la chaleur spécifique doit être déterminée. Il est placé au centre du récipient extérieur, qui est rempli d’eau. On commence par noter la masse et les températures initiales de l’eau et de la substance échantillon.
Le calorimètre est utilisé pour mesurer le flux de chaleur dans une réaction ; cette technique est appelée calorimétrie. (Crédit photo : Fouad A. Saad/)
L’échantillon est ensuite chauffé à l’aide de fils d’allumage. Lorsque la température de l’échantillon s’élève au-dessus de la température de l’eau extérieure, le transfert de chaleur entre les deux commence. Après un certain temps, le flux électrique est coupé et les températures finales de l’eau et de l’échantillon sont mesurées. L’énergie thermique perdue par l’échantillon sera égale à la chaleur gagnée par l’eau dans le récipient extérieur. On utilise maintenant la formule ΔQ = mcΔT.
Pour l’échantillon, ΔQs= (mcΔT)s, et pour l’eau, ΔQw=(mcΔT)w.
Mais ΔQs = ΔQw. Ainsi, (mcΔT)s = (mcΔT)w.
Substituer les valeurs de la masse de l’échantillon et de l’eau (ms et mw, respectivement), le changement de température (ΔTs = T1s-T2s et ΔTw = T1w-T2w) et la chaleur spécifique de l’eau (cw) comme 4,1796 kJ/kg.K pour déterminer la chaleur spécifique de l’échantillon (cs). Une fois la chaleur spécifique de la substance trouvée, en la multipliant par sa masse molaire, on obtient la capacité thermique molaire de la substance.
Applications de la capacité thermique
La capacité thermique d’une substance détermine où et quand elle peut être employée. Par exemple, les manches et les poignées des ustensiles sont fabriqués dans des matériaux à haute capacité thermique pour la sécurité des utilisateurs. Les thermomètres, en revanche, sont fabriqués à partir de matériaux à faible capacité thermique spécifique afin qu’ils puissent détecter les plus petites fluctuations de température.
Un autre exemple est l’utilisation de l’eau dans les systèmes de refroidissement des moteurs. L’eau a la capacité thermique spécifique la plus élevée parmi tous les liquides. Pour une même quantité de chaleur, l’augmentation de la température de l’eau est très faible, ce qui en fait un choix idéal pour un liquide/agent de refroidissement.
Le phénomène de l’eau de l’océan qui reste plus fraîche que l’air et le sable environnants lors d’une chaude journée d’été, bien qu’elle soit exposée à la même quantité de chaleur du soleil, peut également être expliqué à l’aide du concept de capacité thermique. La capacité thermique élevée de l’eau est responsable de nombreux phénomènes naturels, notamment le climat de la Terre et la survie de la vie aquatique !
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