La relation entre l'énergie thermique, la capacité thermique massique, la masse et la variation de température (Q=m*c*deltaT)

L'énergie thermique est la quantité d'énergie que possède une substance en fonction de la quantité de particules qu'elle contient (sa masse) et de sa température.

La chaleur est un transfert d'énergie thermique entre deux milieux de température différente. La chaleur se déplace toujours du milieu le plus chaud vers le milieu le plus froid.

Pour calculer la quantité d’énergie thermique emmagasinée dans une substance, on utilise la relation suivante :   

Q = m·c·ΔT

  • Q représente la quantité d’énergie en joules (J).
  • m représente la masse en grammes (g) de la substance qui subit la variation de température.
  • c représente la capacité thermique (en J / g • oC) de la substance, c’est-à-dire la quantité d'énergie fournie à 1 g de cette substance pour faire augmenter sa température de 1oC.
  • Δt représente la variation de température (Δt= tfinale – tinitiale) mesurée en degrés Celsius (oC).

Dans cette formule, une variation de température positive indique que la substance a absorbé de la chaleur.

Un thermomètre indique que l'eau d'un chaudron sur une plaque chauffante a augmenté de 10oC. L'eau a donc absorbé une partie de l'énergie de la plaque chauffante.
Au contraire, une variation de température négative veut dire une perte de chaleur, cela se perçoit par un dégagement de chaleur.
Lorsqu'on retire l'eau de la plaque chauffante, de la vapeur continue de se dégager du chaudron. Si on met notre main au-dessus du chaudron, on sent un dégagement de chaleur. Cela indique que l'eau perd lentement de sa chaleur et que sa température baisse.

Tableaux de chaleur massique pour quelques substances

Liquide
(à 25 ºC)
Chaleur massique
(J/(g · ºC))
Eau 4,19
Alcool méthylique 2,5
Éther 2,2
Antigel 2,2
Huile d’olive 1,296
Solide
(à 25 ºC)
Chaleur massique
(J/(g · ºC))
Magnésium 0,98
Aluminium 0,90
Quartz 0,790
Verre 0,782
Fer 0,472
Zinc 0,39
Cuivre 0,397
Argent 0,234
Mercure 0,14
Or 0,134
Plomb 0,130
Gaz
(à 25 ºC)
Chaleur massique
(J/(g · ºC))
Hydrogène
(H2)
14,3
Hélium
(He)
5,2
Vapeur d’eau
(H2O)
2,0
Azote
(N2)
1,0
Oxygène
(O2)
0,92

Exemples de calcul avec la formule de la quantité d’énergie thermique

Quelle est la variation de la quantité d'énergie d'un bécher contenant 100g d'eau qui passe de 20 oC à 80 oC?

Q = m·c·ΔT

m = 100 g
c = 4,19 J/g · ºC
Δt = 80oC - 20oC = 60 oC

Q = 100·4,19·60
 
Q = 25 140 J

 

Un bloc de 500g cuivre est chauffé pendant 5 minutes et passe de 25 oC à 150 oC, quelle est la variation de la quantité d'énergie de ce bloc?

Q = m·c·ΔT

m = 500g
c = 0,397 J/g · ºC
Δt = 150 oC - 25 oC = 125 oC

Q=150·0,397·125
 
Q= 7 443,75 J

Les exercices

Les références

  • MELS
  • Rogers
  • Réunir Réussir
  • Fondation Réussite Jeunesse