Sciences · Physique
La capacité thermique massique
La capacité thermique massique, ou chaleur massique, est l’énergie nécessaire pour élever de 1 °C la température de 1 kg d’une substance. Pour l’eau, elle vaut environ 4 180 J/(kg·°C), une valeur très élevée.
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Sur une plage en plein été, le sable brûle les pieds alors que la mer reste fraîche. Une casserole métallique chauffe en quelques secondes, l’eau qu’elle contient met plusieurs minutes. Ces différences tiennent à une propriété de chaque matière : sa capacité thermique massique, c’est-à-dire sa capacité à stocker de la chaleur. Elle permet de calculer l’énergie nécessaire pour chauffer un bain, un bâtiment ou un océan.
La formule
L’énergie thermique Q nécessaire pour faire varier de ΔT la température d’une masse m est :
Q = m × c × ΔT
avec Q en joules, m en kilogrammes, c en J/(kg·K) et ΔT en kelvins ou en degrés Celsius. Si ΔT est négatif, le corps se refroidit et cède de la chaleur.
Tableau des valeurs
Valeurs approximatives à température ambiante.
| Substance | Capacité thermique massique (J/(kg·K)) |
|---|---|
| Plomb | 129 |
| Or | 129 |
| Argent | 235 |
| Cuivre | 385 |
| Fer, acier | 450 à 500 |
| Verre | environ 840 |
| Granite | environ 800 |
| Sable sec | environ 800 |
| Béton | environ 880 |
| Aluminium | 897 |
| Air (pression constante) | 1 005 |
| Bois | 1 200 à 2 300 |
| Glace (vers 0 °C) | environ 2 100 |
| Vapeur d’eau | environ 2 000 |
| Huile d’olive | environ 2 000 |
| Éthanol | environ 2 440 |
| Corps humain (moyenne) | environ 3 500 |
| Eau liquide | 4 180 à 4 186 |
| Hydrogène gazeux | environ 14 300 |
Les métaux ont une faible capacité thermique : ils chauffent et refroidissent vite. L’eau en a l’une des plus élevées parmi les substances courantes, environ dix fois celle du fer.
Pourquoi l’eau a-t-elle une si grande capacité thermique ?
Les molécules d’eau sont reliées entre elles par des liaisons hydrogène (voir eau). Une partie de l’énergie fournie sert à agiter et à rompre temporairement ces liaisons au lieu d’augmenter directement la vitesse des molécules, donc la température. L’eau absorbe ainsi beaucoup de chaleur pour un faible réchauffement.
Conséquences majeures :
- le climat océanique : les mers se réchauffent et se refroidissent lentement, ce qui adoucit les hivers et rafraîchit les étés des régions côtières (voir climat et météo) ;
- le stockage de chaleur de la planète : les océans ont absorbé plus de 90 % de l’excès de chaleur dû au réchauffement climatique ;
- le chauffage central et les bouillottes utilisent l’eau pour transporter et stocker la chaleur ;
- la régulation de la température du corps, composé à environ 60 % d’eau.
Capacité thermique d’un objet
Pour un objet entier, on utilise la capacité thermique C = m × c, en J/K : l’énergie nécessaire pour élever de 1 °C la température de tout l’objet. Une baignoire pleine a une capacité thermique énorme comparée à une tasse, même si l’eau est la même.
Les bâtiments à forte inertie thermique (murs épais en pierre ou en béton) stockent la chaleur du jour et la restituent la nuit, ce qui limite les écarts de température intérieure.
La chaleur latente : quand la température ne change pas
Lors d’un changement d’état, on peut fournir de l’énergie sans que la température augmente : toute l’énergie sert à rompre les liaisons entre molécules (voir états de la matière). Cette énergie par kilogramme s’appelle la chaleur latente L, et Q = m × L.
| Changement d’état de l’eau | Chaleur latente |
|---|---|
| Fusion de la glace (0 °C) | environ 334 kJ/kg |
| Vaporisation (100 °C) | environ 2 260 kJ/kg |
Vaporiser un kilogramme d’eau demande plus de cinq fois l’énergie nécessaire pour la chauffer de 0 à 100 °C. C’est pourquoi la transpiration rafraîchit si efficacement le corps : l’évaporation de la sueur lui prend beaucoup de chaleur. C’est aussi pourquoi une brûlure par la vapeur est plus grave qu’une brûlure par l’eau bouillante : en se condensant sur la peau, la vapeur libère sa chaleur latente.
Mesurer une capacité thermique : la calorimétrie
On mesure la capacité thermique dans un calorimètre, récipient isolé. On y mélange par exemple un morceau de métal chaud à une masse d’eau froide connue et on relève la température finale d’équilibre. En écrivant que la chaleur cédée par le métal est égale à la chaleur reçue par l’eau, on en déduit la capacité du métal. C’est la méthode des mélanges, utilisée dès le XVIIIe siècle par Joseph Black, qui a distingué le premier chaleur et température et découvert la chaleur latente.
La calorie
La calorie (cal) est une ancienne unité définie comme l’énergie nécessaire pour élever d’un degré la température d’un gramme d’eau : 1 cal ≈ 4,18 J. La « Calorie » des étiquettes alimentaires est en fait une kilocalorie (kcal), soit 1 000 calories ou environ 4,18 kJ. Une barre chocolatée de 250 kcal apporte environ 1 MJ, de quoi chauffer environ 3 litres d’eau de 20 °C à 100 °C.
Questions fréquentes
Quelle est la capacité thermique massique de l’eau ?
Environ 4 180 J/(kg·K) : il faut 4 180 joules pour élever de 1 °C la température d’un kilogramme d’eau liquide, soit environ une kilocalorie.
Quelle différence entre chaleur massique et chaleur latente ?
La chaleur massique concerne l’énergie nécessaire pour changer la température d’un corps ; la chaleur latente concerne l’énergie nécessaire pour changer son état (fusion, vaporisation) à température constante.
Pourquoi le sable est-il plus chaud que la mer en été ?
Le sable a une capacité thermique environ cinq fois plus faible que l’eau et la chaleur n’y pénètre que sur quelques centimètres : il s’échauffe vite en surface. L’eau de mer stocke la même énergie avec un faible réchauffement, d’autant que les vagues la brassent en profondeur.
Comment calculer l’énergie pour chauffer de l’eau ?
On applique Q = m × c × ΔT : masse en kg, multipliée par 4 180 et par l’écart de température en degrés. Le résultat est en joules ; on divise par 3,6 millions pour l’obtenir en kWh.